ما قبلاً می‌دانیم که حداکثر فشار سیستم را می‌توان با یک شیر کنترل فشار بسته‌شده در حالت عادی کنترل کرد — پورت اصلی آن به فشار سیستم وصل می‌شود و پورت فرعی آن به مخزن متصل است. سوپاپ بر اساس فشار تنظیم‌شده اولیه کنترل می‌شود: زمانی که جریان در پورت‌های اصلی و فرعی در یک نقطه تعیین‌شده همگرا می‌شود، بخشی از جریان به سمت مخزن منحرف می‌شود. این شیر کنترل فشار بسته‌شده در حالت عادی، شیر اطمینان نامیده می‌شود. این فصل به بررسی تمام انواع شیرهای کنترل فشار — از جمله ساختار، کاربردهای مداری و ویژگی‌های کلیدی عملکردی آنها — می‌پردازد.

تنظیم فشار

در شیر کنترل فشار، تنظیم فشار معمولاً با تنظیم نیروی پیش‌بارگذاری فنر تحریک‌کننده توسط یک پیچ تنظیم انجام می‌شود. فشار با چرخاندن پیچ تغییر می‌کند.

شکل ۱۱-۱: شیر کنترل فشار عادی‌بسته. پیچ تنظیم، میزان پیش‌بارگذاری فنر را تعیین می‌کند که فشاری را که در آن سوپاپ بالا می‌آید و شیر باز می‌شود، مشخص می‌سازد.

کاربردهای شیر فشار عادی‌بسته

در سیستم‌های هیدرولیکی، شیرهای کنترل فشار عادی‌بسته کاربردهای متعددی دارند. علاوه بر استفاده به‌عنوان شیرهای اطمینان سیستم، می‌توانند برای کنترل ترتیب انجام عملیات نیز به‌کار روند — یعنی اینکه یک عملیات قبل از عملیات دیگر انجام شود. همچنین می‌توانند برای تعادل‌بخشی به نیروهای مکانیکی خارجی استفاده شوند.

شیر ترتیبی

شیر کنترل فشار عادی‌بسته‌ای که کنترل می‌کند یک عملیات قبل از عملیات دیگر انجام شود، شیر ترتیبی نامیده می‌شود.

کاربرد مدار شیر ترتیبی

در یک مدار هیدرولیکی که هم عملگر بستن و هم عملگر حفاری را انجام می‌دهد، سیلندر بستن باید قبل از سیلندر حفاری پیش‌روی کند. برای دستیابی به این هدف، شیر ترتیبی در مدار دقیقاً قبل از سیلندر حفاری قرار می‌گیرد. فنر موجود در شیر ترتیبی تا زمانی که فشار به اندازه‌ای افزایش نیابد که بتواند نیروی فنر را غلبه کند، اجازه نمی‌دهد که سوپاپ مرکزی مسیر اصلی و فرعی را به یکدیگر متصل کند؛ بنابراین جریان به سیلندر حفاری تا آن زمان مسدود می‌ماند. در نتیجه، ابتدا سیلندر بستن پیش‌روی می‌کند. وقتی قطعه بسته‌شده با قطعه کار تماس پیدا می‌کند، پمپ باید فشار بالاتری تأمین کند تا مقاومت را غلبه کند. این امر فشار را بالاتر از فشار پایلوت وارد‌شده به سوپاپ مرکزی شیر ترتیبی افزایش داده و مسیر اصلی و فرعی را به یکدیگر متصل می‌کند، و جریان به سیلندر حفاری هدایت می‌شود — در این حالت سیلندر حفاری شروع به حرکت می‌کند.

شکل ۱۱-۲: مدار شیر ترتیبی. با مسدود کردن شیر ترتیبی جریان به سیلندر حفاری تا زمانی که فشار سیستم افزایش یابد، قطعه بستن همواره پیش از شروع عمل حفاری بسته می‌شود.

مقداردهی معکوس

شیر کنترل فشار عادی‌بسته‌ای که برای تعادل یا نگهداری یک وزن (مانند صفحهٔ فشرده‌کنندهٔ پرس) استفاده می‌شود، شیر تعادل‌ساز نامیده می‌شود.

کاربرد مدار شیر تعادل‌ساز

در مدار پرس، هنگامی که شیر جهت‌دهنده جریان را به انتهای کور سیلندر هدایت می‌کند، صفحهٔ فشرده‌کنندهٔ پرس که به میلهٔ پیستون متصل است تحت تأثیر گرانش بدون کنترل به سمت پایین حرکت می‌کند و جریان پمپ به‌طور کامل مصرف می‌شود. برای جلوگیری از این امر، یک شیر فشار عادی‌بسته در انتهای خروجی سیلندر پرس نصب می‌شود. سوپاپ این شیر تا زمانی که فشار در انتهای پایین سیلندر از فشار ناشی از وزن صفحهٔ فشرده‌کننده افزایش نیابد، مسیر اصلی به ثانویه را باز نمی‌کند. به عبارت دیگر، این روش هنگام تأمین روغن به انتهای کور سیلندر، وزن صفحهٔ فشرده‌کننده را در طول کل حرکت نزولی متعادل می‌سازد.

شیر تعادل‌زننده نیز می‌تواند برای ترمز کردن حرکت چرخشی یک موتور هیدرولیک سنگین استفاده شود. در مورد موتور هیدرولیکی که چرخ‌های سنگین را به حرکت درمی‌آورد، پس از اینکه چرخ‌ها سرعت خود را افزایش دادند، موتور ممکن است بیش از حد سریع شود (پدیده فرار). اگر شیر تعادل‌زننده در خروجی موتور نصب شود، این شیر تنها زمانی باز می‌شود که فشار خروجی به مقدار تنظیم‌شده برسد. این فشار معکوس (فشار پشتی) در مقابل نیروی ایجادشده از تبدیل اندازه‌حرکت چرخشی چرخ‌های سنگین عمل می‌کند.

شکل ۱۱-۳: شیر تعادل‌زننده. (بالا) جلوگیری از سقوط غیرکنترل‌شده صفحه فشرده‌کننده. (پایین) جلوگیری از افزایش سرعت غیرطبیعی موتور تحت بار سنگین هنگامی که بار خود موتور را به حرکت درمی‌آورد.

شیر اطمینان ساده

شیر اطمینان ساده اساساً از یک بدنه شیر و یک سوپاپ (اسپول) تشکیل شده است که توسط یک فنر سفت تحت فشار قرار دارد. هنگامی که فشار روی سمت مقابل فنر در اطراف سوپاپ به اندازه کافی افزایش یابد، سوپاپ جابه‌جا شده و مسیری را باز می‌کند تا جریان پمپ را به مخزن هدایت کند.

در مدار نمونه، شیر اطمینان ساده به گونه‌ای تنظیم شده است که هنگامی که فشار خروجی پمپ به ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار) برسد، جریان اطمینانی به میزان ۱۰ گالن در دقیقه (۳۷٫۹ لیتر در دقیقه) رخ می‌دهد. این بدان معنا نیست که شیر ناگهان در فشار ۱۰۰۰ psi باز می‌شود؛ بلکه در فشارهای پایین‌تر از ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار)، شیر از یک نقطه فشار پایین شروع به باز شدن می‌کند و بخشی از جریان را به سمت مخزن هدایت می‌کند. همان‌طور که فشار به ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار) نزدیک می‌شود، بازشدگی شیر به تدریج افزایش یافته و جریان بیشتری را به سمت مخزن عبور می‌دهد. در نقطه تنظیم شده ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار)، اندازه دهانه شیر به اندازه‌ای است که بتواند تمام جریان ۱۰ gpm (۳۷٫۹ lpm) را عبور دهد. هنگامی که فشار سیستم زیر فشار بازشدن شیر اطمینان کاهش یابد، مسیر ایجادشده توسط بازشدن شیر به سمت مخزن از مدار حذف می‌شود.

تأثیر دما بر تنظیم شیر اطمینان

بازشدن یک شیر اطمینان در اصل عملکرد یک دهانه است. مانند هر دستگاه دهانه‌ای دیگر، جریان عبوری از آن تحت تأثیر دمای سیال و در نتیجه ویسکوزیته آن قرار می‌گیرد.

برای شیر اطمینان تنظیم‌شده در فشار ۱۰۰۰ پسی‌آی (۶۸٫۹۷ بار) که ۱۰ گالن در دقیقه (۳۷٫۹ لیتر در دقیقه) را دور می‌زند، فرض بر این است که ویسکوزیته روغن ثابت باقی می‌ماند. در دمای محیط، ویسکوزیته روغن مخزن تجهیزات بین ۴۰۰ تا ۵۰۰ سوس (۸۶٫۳ تا ۱۰۷٫۹ سانتی‌استوکس) است. در این ویسکوزیته، تنظیم فشار اطمینان سیستم در ۱۰۰۰ پسی‌آی (۶۸٫۹۷ بار) باعث می‌شود ۱۰ گالن در دقیقه (۳۷٫۹ لیتر در دقیقه) از طریق بازشدگی اوریفیس دور زده شود. پس از گرم‌شدن روغن، فشار پمپ ممکن است به ۹۰۰ پسی‌آی (۶۲ بار) یا کمتر محدود شود. دلیل این امر آن است که با افزایش دمای روغن، ویسکوزیته کاهش می‌یابد — مثلاً به ۱۰۰ سوس (۲۱٫۶ سانتی‌استوکس) می‌رسد. این بدین معناست که نیروی فشار کمتری می‌تواند ۱۰ گالن در دقیقه (۳۷٫۹ لیتر در دقیقه) جریان را از طریق بازشدگی شیر اطمینان به سمت مخزن هدایت کند.

وقتی شیر اطمینان در ویسکوزیته کاری تنظیم می‌شود، اتفاق عکس رخ می‌دهد — در هنگام راه‌اندازی پمپ، دمای روغن پایین و ویسکوزیته بالا است و فشار پمپ ممکن است به ۱۱۰۰ پسی‌آی (۷۵٫۹ بار) برسد. برای سیستم‌هایی که حداکثر فشار مجاز پمپ در آن‌ها به‌دقت تعیین شده است، باید سیستم قبل از تنظیم شیر اطمینان گرم شود.

شکل ۱۱-۵: تأثیر دما بر تنظیم شیر اطمینان. روغن سرد (با ویسکوزیته بالا) برای عبور دادن دبی یکسان، فشار بالاتری نیاز دارد. همیشه قبل از تنظیم شیر اطمینان، سیستم را گرم کنید.

تأثیر سایش پمپ بر تنظیم شیر اطمینان

سایش پمپ همچنین بر تنظیم شیر اطمینان تأثیر می‌گذارد. برای شیر اطمینانی که به‌گونه‌ای تنظیم شده است که در فشار ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار) جریان ۱۰ gpm (۳۷٫۹ لیتر در دقیقه) را دور بزند، به‌شرط آنکه فشار ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار) در پورت ورودی شیر تأمین شود، جریان پمپ به میزان ۱۰ gpm (۳۷٫۹ لیتر در دقیقه) از طریق دهانهٔ شیر به مخزن دور زده می‌شود. با گذشت زمان و افزایش سایش، پمپ هیدرولیک با سایش پمپ، جریان خروجی آن کاهش می‌یابد؛ بنابراین جریان عبوری از شیر اطمینان نیز کاهش می‌یابد و در نتیجه فشار نیز افت می‌کند. برای شیر اطمینانی که در فشار ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار) برای دورزدن جریان ۱۰ gpm (۳۷٫۹ لیتر در دقیقه) تنظیم شده است، زمانی که جریان دورزدن به دلیل سایش پمپ به ۵ gpm (۱۸٫۹۵ لیتر در دقیقه) کاهش یابد، فشار شیر اطمینان سیستم ممکن است تنها به ۹۰۰ psi (۶۲ بار) برسد. هنگام تنظیم مجدد تنظیم شیر اطمینان، موقعیت‌های مشابهی رخ خواهد داد.

فشار شکست ساده شیر اطمینان

فشار ترک‌خوردگی، فشاری است که در آن شیر اطمینان شروع به باز کردن مسیر دور زدن خود می‌کند. برای یک شیر اطمینان ساده، این فشار کمی پایین‌تر از مقدار تنظیم‌شده شیر اطمینان است. شیرهای اطمینان ساده دارای ویژگی «فشار ترک‌خوردگی پیش از باز شدن» هستند.

در نمودار منحنی عملکرد شیر اطمینان ساده، شیر به‌گونه‌ای تنظیم شده است که در فشار ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار) جریان ۱۰ gpm (۳۷٫۹ lpm) را از مسیر دور زدن عبور دهد. این منحنی نشان می‌دهد که شیر در فشار ۸۰۰ psi (۵۵٫۲ بار) باز می‌شود و هرچه فشار به ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار) نزدیک‌تر شود، جریان دور زدن افزایش می‌یابد؛ در نهایت در فشار ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار)، بازشدگی دهانه به‌قدری زیاد است که جریان ۱۰ gpm (۳۷٫۹ lpm) را عبور می‌دهد.

تأثیر فشار ترک‌خوردگی پیش از باز شدن بر سیستم

فشار پیش‌ازشکست شیر اطمینان، یک عیب برای سیستم محسوب می‌شود. فرض کنید پمپ/موتور ۷۵۰ پوند بر اینچ مربع (۵۱٫۷ بار) تولید کرده و ۱۰ گالن در دقیقه (۳۷٫۹ لیتر در دقیقه) روغن را به عملگر تحویل می‌دهد، که در آن ۵۵۰ پوند بر اینچ مربع (۳۷٫۹ بار) برای بار مورد نیاز است و فشار باقی‌ماندهٔ ۲۰۰ پوند بر اینچ مربع (۱۳٫۸ بار) بر مقاومت سیال غلبه می‌کند. در صورت استفاده از یک شیر اطمینان ساده که در ۱۰۰۰ پوند بر اینچ مربع (۶۸٫۹۷ بار) تنظیم شده است، در این نقطه شیر بسته می‌ماند و تمام روغن تحت فشار مستقیماً به بار کاری هدایت می‌شود.

اگر فشار بار به ۷۰۰ پوند بر اینچ مربع (۴۸٫۲۸ بار) افزایش یابد، پمپ/موتور باید خروجی خود را به ۹۰۰ پوند بر اینچ مربع (۶۲٫۱ بار) افزایش دهد (با فرض ثابت بودن دبی خروجی). از آنجا که فشار شکست شیر اطمینان ۸۰۰ پوند بر اینچ مربع (۵۵٫۲ بار) است، در فشار فعلی پمپ، ۵ گالن در دقیقه (۱۸٫۹۵ لیتر در دقیقه) از جریان روغن دور ریز می‌شود؛ یعنی عملگر دبی کامل پمپ را دریافت نمی‌کند و عملیات با سرعت کاهش‌یافته‌ای انجام می‌شود. در همین حال، روغن از دریچهٔ شیر اطمینان عبور کرده و گرمای اضافی تولید می‌کند.

اگر فشار بار ۷۵۰ پوند بر اینچ مربع (۵۱٫۷ بار) باشد، پمپ/موتور باید فشاری معادل ۹۵۰ پوند بر اینچ مربع (۶۵٫۵ بار) تولید کند — فشاری حتی بالاتر در صورت عبور جریان بیشتر از طریق دهانه شیر اطمینان، که منجر به کاهش بیشتر سرعت عملگر و تولید گرمای اضافی‌تر می‌شود.

شکل ۱۱-۷: تأثیر فشار پیش‌ترکیدگی. شیر اطمینان ساده قبل از رسیدن به فشار تنظیم‌شده، جریان را دور می‌ریزد و این امر باعث کاهش سرعت عملگر و هدررفت انرژی به‌صورت گرما در فشارهای بار میانی می‌شود.

شیر فشاری عادی‌باز

شیر کنترل فشار عادی‌بسته در وضعیت عادی، دروازه‌های اصلی و فرعی آن قطع هستند و فشار دروازه اصلی را تشخیص می‌دهد. شیر فشاری عادی‌باز در وضعیت عادی، دروازه‌های اصلی و فرعی خود را به‌هم متصل می‌کند و فشار دروازه فرعی را تشخیص می‌دهد.

شیر کاهنده فشار

شیر کاهنده فشار معمولاً یک شیر کنترل فشار عادی‌باز است.

روش کار شیر کاهنده فشار

شیر کاهش‌دهنده با تشخیص فشار در مسیر خروجی شیر عمل می‌کند. هنگامی که فشار در مسیر خروجی برابر با تنظیم فشار شیر شود، سوپاپ به‌صورت جزئی بسته می‌شود و یک دهانه ایجاد می‌کند که انرژی اضافی فشار ورودی را به گرما تبدیل می‌کند. اگر فشار در مسیر خروجی کاهش یابد، سوپاپ بیشتر باز می‌شود تا فشار دوباره افزایش یابد.

کاربرد مدار شیر کاهش‌دهنده

مدار نمونهٔ قلاب‌زنی نیازمند این است که سیلندر قلاب‌زنندهٔ B نیروی کمتری نسبت به سیلندر قلاب‌زنندهٔ A اعمال کند. برای دستیابی به این هدف، یک شیر کاهش‌دهنده دقیقاً قبل از سیلندر قلاب‌زنندهٔ B نصب می‌شود تا فشار واردشونده به سیلندر B را تا مقدار تنظیم‌شدهٔ شیر کاهش دهد. در این نقطهٔ فشار تنظیم‌شده، عملکرد سوپاپ شیر کاهش‌دهنده یک عملکرد دهانه‌ای ایجاد می‌کند و انرژی اضافی فشار ورودی را به گرما تبدیل می‌کند. سیلندر B در فشار کاهش‌یافته قلاب‌زنی می‌کند.

افت فشار استاتیک شیر کاهش‌دهنده (جابجایی)

فشار دریچهٔ ثانویهٔ شیر کاهش‌دهنده در شرایط جریان نامی، کمتر از فشار آن در شرایط عدم جریان است. تفاوت بین این دو فشار کاهش‌یافته، «انحراف افت فشار استاتیک» شیر کاهش‌دهنده نامیده می‌شود. این افت استاتیک یک ویژگی ذاتی شیر کاهش‌دهنده است که توضیح بیشتری دربارهٔ افزایش فشار با افزایش جریان ارائه می‌دهد. برای مثال، یک شیر کاهش‌دهندهٔ نامی ۱۵ گالن در دقیقه (۵۶٫۸۵ لیتر در دقیقه) در شرایط جریان و فشار کار نامی، دارای انحراف افت فشار استاتیکی حدود ۵۰ psi (۳٫۴۵ بار) است، در حالی که یک شیر کاهش‌دهندهٔ نامی ۱۰۰ گالن در دقیقه (۳۷۹ لیتر در دقیقه) ممکن است انحراف افت فشار استاتیکی تا ۱۵۰ psi (۱۰٫۳ بار) داشته باشد.

شکل ۱۱-۹: افت فشار استاتیک شیر کاهش‌دهنده. فشار خروجی در حالت جریان کمی پایین‌تر از زمان توقف جریان است. هرچه دبی نامی شیر بزرگ‌تر باشد، این انحراف نیز بیشتر می‌شود.

دریچهٔ تخلیه — داخلی و خارجی

با حرکت شیر کنترل فشار درون بدنه شیر، مقداری از روغن تحت فشار به حفره بالای شیر نشت می‌کند. برای عملکرد صحیح شیر، باید روغن موجود در حفره بالای شیر به‌طور مداوم تخلیه شود تا از مسدود شدن حرکت شیر جلوگیری گردد. این تخلیه از طریق ایجاد یک مسیر تخلیه درون بدنه شیر و اتصال آن به مخزن انجام می‌شود.

تخلیه داخلی

اگر پورت ثانویه شیر فشار به مخزن متصل باشد — همان‌طور که در شیرهای اطمینان و شیرهای تعادلی رخ می‌دهد — مسیر تخلیه به‌صورت داخلی به پورت ثانویه (پورت بازگشت) متصل می‌شود. این روش «تخلیه داخلی» نامیده می‌شود.

تخلیه خارجی

اگر پورت ثانویه شیر فشار، یک پورت فشار (پورت کاری) باشد — همان‌طور که در شیرهای ترتیبی و شیرهای کاهنده رخ می‌دهد — مسیر تخلیه به‌صورت یک لوله جداگانه به مخزن متصل می‌شود. این روش «تخلیه خارجی» نامیده می‌شود. شیرهای ترتیبی و شیرهای کاهنده معمولاً از نوع شیرهای کنترل فشار با تخلیه خارجی هستند.

کنترل مستقیم و کنترل از راه دور

تاکنون، سنجش فشار از طریق مسیرهای داخلی بدنه شیر انجام شده است. معمولاً برای شیرهای عادی‌بسته، سنجش فشار در پورت اولیه و برای شیرهای عادی‌باز، در پورت ثانویه انجام می‌شود. این روش سنجش فشار، کنترل مستقیم یا کنترل محلی نامیده می‌شود. شیر کنترل فشار می‌تواند فشار را نیز از بخش دیگری از سیستم از طریق یک لوله خارجی سنجش کند — این روش کنترل از راه دور یا کنترل پایلوت نامیده می‌شود.

شکل ۱۱-۱۰: کنترل مستقیم (سمت چپ) فشار را در پورت خود شیر سنجش می‌کند. کنترل از راه دور (سمت راست) اجازه می‌دهد سیگنال فشار از فاصله دور باعث باز یا تنظیم شیر شود — که برای تخلیه انباشته‌کننده و هماهنگ‌سازی عملکرد چندین اجرکننده مفید است.

شیر تخلیه

شیر تخلیه، نوعی شیر کنترل فشار عادی‌بسته با کنترل از راه دور است. وقتی فشار سیستم در نقطه سنجش به مقدار از پیش تعیین‌شده برسد، این شیر جریان را به سمت مخزن هدایت می‌کند.

کاربرد مدار شیر تخلیه

در مدار انباشته‌کننده با شیر فشار کنترل مستقیم، پس از اینکه انباشته‌کننده به فشار تنظیم‌شده شیر شارژ می‌شود، جریان خروجی پمپ در فشار تنظیم‌شده شیر اطمینان به مخزن بازگردانده می‌شود. این امر موجب هدررفت قابل‌توجه توان و تولید مقادیر زیادی گرمای غیرضروری می‌گردد. اتصال خط کنترل به شیر اطمینان قرارگرفته پایین‌دست شیر بررسی — به‌گونه‌ای که هنگامی که انباشته‌کننده به فشار تنظیم‌شده شیر شارژ می‌شود، فشار کنترل شیر را باز می‌کند و جریان پمپ را به مخزن در کمترین فشار هدایت می‌نماید. در این حالت، پمپ نیازی به تأمین فشار بالا برای نگه‌داشتن شیر آزادسازی باز ندارد، زیرا فشار کنترل از انباشته‌کننده تأمین می‌شود که توسط شیر بررسی از پمپ جدا شده است. ازآنجاکه در این لحظه فشار پمپ ناچیز است، اتلاف توان نیز ناچیز خواهد بود.

شکل ۱۱-۱۱: مدار شیر آزادسازی. هنگامی که انباشته‌کننده شارژ می‌شود، شیر بررسی آن را از پمپ جدا می‌کند و شیر آزادسازی جریان پمپ را با حداقل فشار به مخزن هدایت می‌کند — که تقریباً تمام توان پمپ را در حالت آماده‌به‌کار ذخیره می‌نماید.

شیر تعادل کنترل‌شونده از راه دور

شیر تعادل مستقیم‌العملی که در انتهای سیلندر حامل صفحه فشاردهنده نصب شده است، می‌تواند به‌طور مؤثر وزن صفحه فشاردهنده را تعادل دهد یا خنثی کند. اما در طول فرآیند فشاردهی، زمانی که صفحه فشاردهنده از روی ماده عبور می‌کند، وزن آن نباید به نیروی کل فشاردهی اضافه شود. اگر این امر مطلوب نباشد، باید از شیر تعادل با کنترل از راه دور استفاده کرد که خط کنترل آن به خط کارکرد سیلندر دیگر متصل می‌شود. با استفاده از شیر تعادل با کنترل از راه دور، صفحه فشاردهنده همچنان در طول حرکت رو به پایین تعادل داشته و در طول فرآیند فشاردهی، وزن آن می‌تواند به نیروی فشاردهی اضافه شود. در طول کل ضربه رو به پایین، در مرحله خالی (بدون بار)، وزن خود صفحه فشاردهنده تلاش می‌کند تا میله سیلندر را به سمت پایین بکشد؛ در این حالت فشار بالادست و فشار خط کنترل کاهش می‌یابد و شیر تعادل تمایل به بسته شدن پیدا می‌کند که مقاومت را افزایش داده و جریان را به‌گونه‌ای محدود می‌کند که نتواند با سرعت حرکت رو به پایین هماهنگ شود؛ اما در فرآیند فشاردهی، شیر تعادل توسط فشار بالادست بالا و فشار خط کنترل باز می‌شود و فشار معکوسی در سمت میله وجود ندارد، بنابراین وزن صفحه فشاردهنده می‌تواند به نیروی فشاردهی اضافه شود.

شیر تعادل مستقیم‌العمل در مدار موتور

در مدار هیدرولیک موتور نشان‌داده‌شده، از یک شیر تعادل مستقیم‌العمل برای ترمز کردن اینرسی چرخشی بار سنگین استفاده می‌شود. فشار تنظیم‌شده شیر تعادل برابر با ۸۰۰ PSI (۵۵٫۲ بار) است و همواره فشار معکوس را به بار در حال چرخش اعمال می‌کند؛ بنابراین سرعت بار نمی‌تواند از دبی پمپ فراتر رفته و باعث افزایش غیرمجاز سرعت شود. با این حال، این موضوع بدین معناست که فشار ورودی موتور باید از فشار کار بار به علاوه ۸۰۰ PSI (۵۵٫۲ بار) بیشتر باشد — این یک نقطه ضعف محسوب می‌شود. برای رفع این مشکل، می‌توان به جای آن از شیر ترمز استفاده کرد.

مقداره‌ده کلاهک

شیر ترمز یک شیر کنترل فشار معمولاً بسته است که دارای دو پورت کنترل مستقیم و کنترل از راه دور می‌باشد. هر دو روش کنترل به‌صورت همزمان متصل می‌شوند. شیرهای ترمز معمولاً با موتورهای هیدرولیکی استفاده می‌شوند و جایگزین شیرهای تعادل مستقیم‌العمل در مدارهای هیدرولیک موتور می‌گردند.

ساختار شیر ترمز

شیر ترمز از بدنه شیر، سوپاپ، پیستون کنترل، فنر تعادل‌زن و دستگاه تنظیم فنر تشکیل شده است. بدنه شیر دارای مسیرهای اصلی، فرعی، کنترل داخلی و کنترل خارجی است.

نحوه عملکرد شیر ترمز

شیر ترمز یک شیر عادی‌بسته است. فرض کنید فنر تنظیم‌کننده به‌گونه‌ای تنظیم شده که بازشدن کنترل مستقیم در فشار ۸۰۰ psi (۵۵٫۲ بار) انجام شود. هنگامی که فشار در مسیر کنترل داخلی به ۸۰۰ psi (۵۵٫۲ بار) برسد، پیستون کنترل بالا رفته و سوپاپ را هل داده و شیر ترمز را باز می‌کند. هنگامی که فشار زیر ۸۰۰ psi (۵۵٫۲ بار) کاهش یابد، شیر بسته می‌شود. این عمل دقیقاً مشابه عملکرد شیر تعادل‌دهندهٔ مستقیم‌العمل است. مساحت سطح پیستون کنترل داخلی بسیار کوچک‌تر از مساحت مقطع عرضی سوپاپ است — نسبت این دو مساحت معمولاً ۸:۱ است. پورت کنترل خارجی معمولاً به خط کاری دیگر موتور متصل می‌شود. فشار خارجی بر سمت مقابل حفرهٔ فنر سوپاپ وارد می‌شود — تنها ۱۰۰ psi (۶٫۸۹ بار) برای باز کردن شیر لازم است، زیرا این فشار بر سرِ پایینی سوپاپ وارد می‌شود که مساحتی ۸ برابر بزرگ‌تر از مساحت پیستون کنترل دارد.

کاربرد مدار شیر ترمز

فرض کنید شیر ترمز در فشار ۸۰۰ پوند بر اینچ مربع (۵۵٫۲ بار) با کنترل مستقیم تنظیم شده است. هنگامی که فشار خط ورودی موتور به ۱۰۰ پوند بر اینچ مربع (۶٫۸۹ بار) برسد، شیر ترمز باز می‌شود و فشار ورودی موتور به‌طور کامل برای چرخاندن بار مورد استفاده قرار می‌گیرد (با فرض اینکه ۱۰۰ پوند بر اینچ مربع / ۶٫۸۹ بار بالاتر باشد). اگر بار از سرعت مجاز فراتر رود، فشار ورودی موتور کاهش یافته، شیر ترمز بسته می‌شود و فشار معکوس ۸۰۰ پوند بر اینچ مربع (۵۵٫۲ بار) دوباره باز می‌شود که مقاومت را افزایش داده و سرعت بار را کاهش می‌دهد.

شیر ترمز یک شیر کنترل فشار معمولی-بسته است. عملکرد آن مستقیماً مرتبط با نیازهای بار موتور است.

شکل ۱۱-۱۳: شیر ترمز. برخلاف شیر تعادل‌زن ساده، شیر ترمز هم کنترل مستقیم (داخلی) و هم کنترل از راه دور (خارجی) دارد. نسبت سطح ۸:۱ بدین معناست که فقط فشار پایلوت خارجی ۱۰۰ پوند بر اینچ مربع برای باز کردن آن لازم است — بنابراین موتور به‌راحتی می‌تواند بار را به حرکت درآورد، در عین حال هنگامی که بار تلاش برای فراتر رفتن از سرعت مجاز داشت، فشار معکوس ۸۰۰ پوند بر اینچ مربع برای ترمز کردن اعمال می‌شود.

جریان معکوس از طریق شیرهای کنترل فشار

به جز شیرهای اطمینان و شیرهای تخلیه، تمام شیرهای فشار معمولاً نیازمند جریان معکوس هستند تا بتوانند به‌صورت آزاد عبور کنند. شیرهای فشار عادی‌بسته، فشار درگاه اولیه را اندازه‌گیری می‌کنند — اگر جریان معکوس شود، فشار درگاه اولیه کاهش یافته، سوپاپ بسته می‌شود و اتصال بین درگاه‌های اولیه و ثانویه قطع می‌گردد. از آنجا که جریان معکوس نمی‌تواند از شیرهای فشار عادی‌بسته عبور کند، برای دور زدن این نوع شیر، باید از شیر چک استفاده شود.

شیرهای فشار عادی‌باز، فشار درگاه ثانویه را اندازه‌گیری می‌کنند — طولی که جریان معکوس باقی بماند و فشار پایین‌دست از مقدار تنظیم‌شده کمتر باشد، مسیر شیر همواره باز باقی می‌ماند؛ بنابراین نیازی به شیر چک معکوس نیست. با این حال، در عمل، به محض اینکه فشار درگاه ثانویه از مقدار تنظیم‌شده فراتر رود، سوپاپ به‌صورت ناگهانی بسته می‌شود. به عنوان احتیاط، معمولاً از ترکیب شیر چک و شیر کاهش‌دهنده فشار برای تضمین جریان معکوس استفاده می‌شود.

خلاصه‌ای از شیرهای کنترل فشار

با مطالعه این فصل، می‌توانیم قوانین کلیدی مربوط به شیرهای کنترل فشار را خلاصه کنیم:

• قانون الف: شیرهای کنترل فشار با درگاه‌های ثانویه‌ای که به مدار فشار متصل شده‌اند، نیازمند تخلیه خارجی هستند (شیرهای ترتیبی و شیرهای کاهش‌دهنده فشار).
• قانون ب: شیرهای کنترل فشار با درگاه‌های ثانویه‌ای که معمولاً به مخزن متصل می‌شوند، از تخلیه داخلی استفاده می‌کنند (شیرهای اطمینان، شیرهای آزادسازی، شیرهای تعادل‌ساز و شیرهای ترمز).
• قانون ج: برای اجازه دادن به جریان معکوس آزاد از طریق یک شیر کنترل فشار، باید از یک شیر چک استفاده شود.

شکل ۱۱-۱۵: نمادهای گرافیکی تمام شیرهای کنترل فشار. توجه: شیرهای ترتیبی و شیرهای کاهش‌دهنده فشار همواره دارای خطوط تخلیه خارجی هستند (که به‌صورت خطوط مورب به مخزن نشان داده شده‌اند). شیرهای اطمینان، آزادسازی و تعادل‌ساز از تخلیه داخلی استفاده می‌کنند.

اصطلاحات مربوط به شیرهای کنترل فشار

واژه‌های کلیدی مورد استفاده در ارتباط با شیرهای کنترل فشار:

• کنترل مستقیم — استفاده از روغن موجود در مسیر کنترل داخلی بدنه شیر برای کنترل پیستون. «عمل محلی» — پیستون تنها تحت تأثیر فشار فنر قرار دارد.
• تخلیه به مخزن از طریق شیر اطمینان — جریان از طریق شیر اطمینان عبور می‌کند.
• پایлот (هدایت‌کننده) — فشار هیدرولیکی که برای کنترل حرکت سوپاپ استفاده می‌شود. اندازه‌گیری فشار از محلی دور از خود شیر انجام می‌شود.
• فشار بازشدن اولیه (فشار آغاز بازشدن) — فشاری که در آن شیر اطمینان برای اولین بار شروع به باز کردن مسیر جلبی می‌کند.
• فشار بازشدن پیش‌ازموعد — تمایل برخی شیرها (به‌ویژه شیرهای ساده اطمینان) به باز شدن در فشاری کمتر از فشار تنظیم‌شده.
• فشار معکوس — فشار موجود در سمت خروجی یک شیر یا عملگر که جریان یا حرکت را مخالفت می‌کند.