فصل ۸: شیرهای بررسی‌کننده، انباشته‌کننده‌ها و سیلندرهای هیدرولیک

شیر چک

ساختار شیر یکطرفه

شیر یکطرفه عمدتاً از بدنه‌ای شامل دریچه‌های ورودی و خروجی و قطعه‌ای متحرک فنری تشکیل شده است. قطعه متحرک می‌تواند دیسک، صفحه یا پوپت باشد — در سیستم‌های هیدرولیکی معمولاً یک توپ یا صندلی پوپت است.

نحوه کار شیر یکطرفه

سیال تنها می‌تواند در یک جهت از شیر یکطرفه عبور کند — جهت جریان آزاد. وقتی فشار سیستم در دریچه ورودی به اندازه‌ای افزایش یابد که بتواند نیروی فنر را که پوپت را به سمت صندلی هل می‌دهد غلبه کند، پوپت از صندلی جدا شده و سیال از آن عبور می‌کند. این جهت جریان آزاد است. هنگامی که سیال تلاش می‌کند از دریچه خروجی به عقب جریان یابد، پوپت به سمت صندلی هل داده شده و مسیر را مسدود کرده و جریان معکوس را مسدود می‌کند.

شکل ۸-۱: شیر یکطرفه. پوپت فنری در هنگام معکوس شدن جریان روی صندلی قرار می‌گیرد و جریان معکوس را به‌طور کامل مسدود می‌کند. شیر یکطرفه معادل هیدرولیکی خیابان یک‌طرفه است.

کاربردهای شیر یکطرفه در مدارها

شیر یک‌طرفه هم عملکرد کنترل جهت و هم عملکرد کنترل فشار دارد — یعنی جریان را تنها در یک جهت اجازه می‌دهد. در سیستم‌های هیدرولیک، شیرهای یک‌طرفه معمولاً به‌عنوان شیرهای دورزدن (بای‌پس) استفاده می‌شوند تا جریان از یک قطعه عبور کند. برای مثال، شیر یک‌طرفه‌ای که به‌صورت موازی با شیر کنترل جریان نصب شده باشد، اجازه می‌دهد جریان معکوس از شیر کنترل جریان دور بزند.

شیرهای یک‌طرفه همچنین می‌توانند یک شاخه یا قطعه از سیستم را از بقیه سیستم جدا کنند. برای مثال، در مورد یک آکومولاتور: شیر یک‌طرفه جلوی تخلیه معکوس آکومولاتور از طریق شیر اطمینان یا پمپ هیدرولیک را می‌گیرد.

شیر یک‌طرفه معمولاً دستگاهی با نشتی کم است؛ در واقع، می‌توان آن را طوری طراحی کرد که کاملاً بدون نشت باشد. شیر یک‌طرفه قادر است بار را تقریباً به‌طور نامحدود نگه دارد. با این حال، به یاد داشته باشید که شیر یک‌طرفه نوعی شیر یک‌جهته است — برای آزاد کردن بار، باید قطعهٔ متحرک آن را از صفحهٔ نشستن (سیت) خود با نیروی خارجی جابه‌جا کرد. این کار نیازمند نوع خاصی از شیر یک‌طرفه است که «شیر یک‌طرفهٔ فعال‌شده توسط سیگنال پایلوت» نامیده می‌شود.

شکل ۸-۲ سه کاربرد رایج شیرهای یک‌طرفه در مدارهای هیدرولیکی: دور زدن شیر کنترل جریان، جداسازی ذخیره‌کنندهٔ انرژی (اکومولاتور)، و آستانهٔ فشار با فنر.

نگه‌داشتن بار آویزان

بیشتر اجزای هیدرولیکی از نوع شیر سوپاپی (اسپولی) دارای جریان داخلی دور زننده‌ای هستند — این موضوع لزوماً نشان‌دهندهٔ کیفیت پایین نیست، زیرا بخش عمده‌ای از این جریان دور زننده به‌طور عمدی در طراحی اجزا برای روان‌کاری آن‌ها پیش‌بینی شده است. با این حال، اگر سیستم نیاز داشته باشد که سیلندر بار را بدون حرکت (غیرقابل‌مشاهده) در حالت آویزان نگه دارد، نشتی به یک مشکل تبدیل می‌شود. در این حالت، باید از شیر یک‌طرفه‌ای با قابلیت آب‌بندی مناسب استفاده کرد.

شیر یک‌طرفهٔ فعال‌شده توسط سیگنال پایلوت

شیر قطع‌کنندهٔ کنترل‌شده توسط فشار راه‌انداز، جریان آزاد را در یک جهت امکان‌پذیر می‌سازد؛ و هنگامی که فشار راه‌انداز قسمت متحرک را از صندلی خود جدا می‌کند، جریان معکوس نیز می‌تواند از آن عبور کند.

ساخت و ساز

مانند یک شیر قطع‌کنندهٔ معمولی، شیر قطع‌کنندهٔ کنترل‌شده توسط فشار راه‌انداز نیز دارای بدنه‌ای از شیر با پورت‌های ورودی و خروجی، و یک پُپِت (قسمت متحرک) تحت فشار فنری که روی صندلی قرار دارد، است. علاوه بر این، در سمت مقابل دقیق صندلی، پُپِت مجهز به یک میلهٔ هل‌دهنده و یک پیستون راه‌انداز با فنر نرم است. فشار راه‌انداز از پورت راه‌انداز بر روی پیستون اثر می‌گذارد. حفرهٔ فنر در پیستون دارای یک پورت تخلیه است.

چگونه کار می‌کند

شیر قطع‌کنندهٔ کنترل‌شده توسط فشار راه‌انداز، جریان آزاد را از ورودی به خروجی به‌همان شیوه‌ای که یک شیر قطع‌کنندهٔ معمولی انجام می‌دهد، امکان‌پذیر می‌سازد. جریانی که سعی در ورود از طریق خروجی دارد، پُپِت را به سمت صندلی هل می‌دهد و مسیر را می‌بندد. هنگامی که فشار راه‌انداز کافی بر روی پیستون راه‌انداز اعمال شود، پیستون حرکت کرده و بر پُپِت قطع‌کننده فشار وارد می‌کند و آن را از صندلی بلند می‌کند. تا زمانی که نیروی وارد بر پیستون راه‌انداز به‌اندازهٔ کافی بزرگ باشد، جریان می‌تواند از خروجی به ورودی عبور کند.

شکل ۸-۳: شیر بررسی کنترل‌شده با فشار پایلوت. در غیاب فشار پایلوت، این شیر مانند یک شیر بررسی معمولی عمل می‌کند (جریان آزاد تنها در یک جهت). با اعمال فشار پایلوت، جریان معکوس نیز امکان‌پذیر می‌شود — که امکان آزادسازی بار را فراهم می‌آورد.

کاربرد مدار

استفاده از یک شیر بررسی کنترل‌شده با فشار پایلوت برای قطع جریان از پورت B سیلندر، بار را در حالت معلق نگه می‌دارد به‌شرط اینکه درزبندی‌های سیلندر مؤثر باشند و هیچ نشتی در لوله‌ها، سیلندر یا خود شیر بررسی وجود نداشته باشد. برای پایین آوردن بار، کافی است فشار پایلوت از خط A به پیستون کنترلی اعمال شود.

فشار پایلوت برای شیر بررسی کنترل‌شده با فشار پایلوت از خط کاری سیلندر هیدرولیکی تأمین می‌شود — به‌شرط اینکه فشار در خط A به اندازه کافی بالا باشد، شیر بررسی باز باقی می‌ماند. هنگامی که بار بالا کشیده می‌شود، روغن به راحتی از شیر بررسی عبور می‌کند، زیرا این جهت همان جهت جریان آزاد است.

در برخی موارد، بارهای متصل به میله پیستون سیلندر باید در حالت ساکن قفل شوند. برای این منظور، می‌توان یک شیر بررسی کنترل‌شده توسط پیلوت را در هر خط کار سیلندر نصب کرد — این شیرهای بررسی کنترل‌شده توسط پیلوت جریان خروجی از سیلندر را مسدود می‌کنند. تا زمانی که آب‌بندی‌های سیلندر مؤثر باقی بمانند و در هیچ جایی نشتی وجود نداشته باشد، بار می‌تواند در موقعیت خود ثابت نگه داشته شود.

تجمع‌کننده هیدرولیک

آکومولاتور فشار هیدرولیک را ذخیره می‌کند. این فشار هیدرولیک انرژی پتانسیلی است که می‌تواند به انرژی کاری (جریان و فشار) تبدیل شود.

انواع آکومولاتورها

آکومولاتورها را می‌توان به سه نوع بارگذاری‌شده توسط گرانش، فنری و مایع/گاز تقسیم کرد. این انواع در نحوه اعمال نیروی کاری بر روی روغن ذخیره‌شده در آکومولاتور با یکدیگر تفاوت دارند.

آکومولاتور بارگذاری‌شده توسط گرانش

یک ذخیره‌کننده بارگذاری‌شده توسط گرانش از وزن یک جسم سنگین که بر پیستون یا شاقول عمل می‌کند، برای حفظ نیروی کار روی روغن ذخیره‌شده استفاده می‌کند. این وزن می‌تواند از هر ماده‌ی سنگینی ساخته شود — مانند آهن، بتن یا حتی آب. ذخیره‌کننده‌های بارگذاری‌شده توسط گرانش عموماً بسیار بزرگ هستند و گاهی اوقات ظرفیت صدها گالن را دارند. این ابزارها به‌طور همزمان به چندین سیستم هیدرولیکی خدمت می‌کنند و در غلتک‌کش‌ها و سیستم‌های هیدرولیکی مرکزی به‌کار می‌روند.

ویژگی مطلوب یک ذخیره‌کننده بارگذاری‌شده توسط گرانش این است که روغن را در فشار نسبتاً ثابتی ذخیره می‌کند — چه ظرف پر باشد و چه تقریباً خالی؛ فشار ذخیره‌شده تقریباً بدون تغییر باقی می‌ماند. این امر به این دلیل رخ می‌دهد که نیروی وارد بر روغن، گرانش (وزن) است که مقدار آن ثابت است — صرف‌نظر از اینکه چه مقدار روغن در ذخیره‌کننده وجود دارد، نیروی اعمال‌شده یکسان است.

ویژگی نامطلوب انباشته‌کننده‌های بارگذاری‌شده با نیروی گرانش، ایجاد ضربه است. هنگامی که یک انباشته‌کننده بارگذاری‌شده با نیروی گرانش به‌طور ناگهانی در حین خروجی جریان سریع متوقف می‌شود، اینرسی وزن سنگین، پیک‌های فشار قابل‌توجهی در سیستم ایجاد می‌کند. این امر می‌تواند منجر به نشت در لوله‌ها و اتصالات شده و باعث خستگی فلزی و در نتیجه خرابی زودهنگام اجزا گردد.

شکل ۸-۶: انباشته‌کننده بارگذاری‌شده با نیروی گرانش. وزن ثابت، فشار ثابتی را بدون توجه به حجم روغن تولید می‌کند. این نوع انباشته‌کننده در سیستم‌های صنعتی بزرگ مانند هیدرولیک کارخانه‌های فولاد استفاده می‌شود.

انباشته‌کننده بارگذاری‌شده با فنر

یک انباشته‌کننده فنری از فنری که بر پیستون عمل می‌کند، برای حفظ نیروی وارد بر روی روغن ذخیره‌شده استفاده می‌کند. انباشته‌کننده‌های فنری معمولاً کوچک‌تر از انواع وزنی هستند و ظرفیتی معادل چند گالن دارند. این انباشته‌کننده‌ها معمولاً یک سیستم هیدرولیکی واحد را تأمین می‌کنند و معمولاً در فشار پایین کار می‌کنند. هنگامی که روغن تحت فشار وارد انباشته‌کننده فنری می‌شود، فشار روغن ذخیره‌شده توسط میزان فشرده‌شدن فنر تعیین می‌گردد. وقتی پیستون به سمت بالا حرکت کرده و فنر را ۱۰ اینچ (۲۵٫۴ سانتی‌متر) فشرده می‌کند، فشار ذخیره‌شده بیشتر از زمانی است که فنر تنها ۴ اینچ (۱۰٫۲ سانتی‌متر) فشرده شده باشد.

برای جلوگیری از تجمع روغن نشت‌کرده در حفره فنر، حفره فنر دارای یک دریچه تخلیه برای خروج نشت است. انباشته‌کننده‌های فنری نباید به‌صورت خارجی به مخزن تخلیه شوند، زیرا این امر باعث کف‌زدن روغن می‌شود. صرف‌نظر از اینکه انتهای لوله تخلیه بالاتر یا پایین‌تر از سطح مایع در مخزن قرار داشته باشد، انباشته‌کننده همواره در حین کار باعث کف‌زدن می‌شود — هنگامی که انباشته‌کننده به‌سرعت جریان خروجی تولید می‌کند، روغن بالای پیستون نمی‌تواند با حرکت پیستون هماهنگ باشد و در نتیجه یک خلأ جزئی در حفره فنر ایجاد می‌شود که منجر به جداشدن هوا از روغن می‌گردد. هنگامی که انباشته‌کننده دوباره شارژ می‌شود، پیستون به‌سمت بالا حرکت کرده و روغن حاوی هوا را به سمت مخزن بازمی‌گرداند. وجود حباب‌های هوا در مخزن نامطلوب است؛ بنابراین انباشته‌کننده‌های فنری معمولاً به‌صورت خارجی تخلیه نمی‌شوند.

در مورد انباشته‌کننده‌های فنری که دارای تخلیه خارجی از حفره فنر هستند، در صورت سایش آب‌بندی پیستون، باید فوراً اقدامات لازم انجام شود. در صورت عدم تعمیر به‌موقع، ممکن است نیاز به تمیزکاری جامع باشد.

شکل ۸-۷: انباشته‌کننده با فنر بارگذاری‌شده. نیروی فنر — و درنتیجه فشار ذخیره‌شده — با حرکت پیستون به سمت بالا افزایش می‌یابد. این نوع در سیستم‌های کوچک و کم‌فشار استفاده می‌شود.

انباشته‌کننده مایع/گاز

انباشته‌کننده مایع/گاز رایج‌ترین نوع در سیستم‌های هیدرولیک صنعتی است. این نوع از گاز فشرده برای حفظ نیروی کار روی روغن ذخیره‌شده استفاده می‌کند.

انباشته‌کننده‌های مایع/گاز بسته به دستگاهی که برای جداسازی گاز از روغن به کار می‌رود، به سه نوع پیستونی، دیافراگمی و کیسه‌ای تقسیم می‌شوند.

انباشته‌کننده پیستونی

یک انباشته‌کننده پیستونی از یک استوانه و یک پیستون قابل‌حرکت با حلقه‌های آب‌بند الاستیک تشکیل شده است. فضای بالایی پیستون با گاز فشرده پر می‌شود. هنگامی که روغن به داخل استوانه تزریق می‌شود، گاز فشرده می‌گردد. هنگام تخلیه روغن از انباشته‌کننده، فشار گاز کاهش می‌یابد. وقتی تمام روغن تخلیه شد، پیستون به انتهای مسیر حرکت خود می‌رسد و دریچه خروجی را مسدود می‌کند تا گاز درون انباشته‌کننده نگه داشته شود.

انباشته‌کننده دیافراگمی

انباشته‌کننده دیافراگمی از دو نیم‌کره فلزی تشکیل شده که با پیچ‌بندی به یکدیگر متصل می‌شوند و یک کره را ایجاد می‌کنند. فضای داخلی توسط یک دیافراگم لاستیکی سنتتیک به دو بخش تقسیم می‌شود — بخش بالایی با گاز پر می‌شود. هنگامی که روغن تحت فشار وارد بخش دیگر می‌شود، گاز فشرده می‌گردد. پس از تخلیه کامل روغن، دیافراگم دریچه خروجی را پوشانده و گاز را درون انباشته‌کننده نگه می‌دارد؛ دیافراگم به‌گونه‌ای طراحی شده که از ضخامت خود فراتر نبرده شود.

انباشته‌کننده کیسه‌ای

یک انباشته‌کننده از نوع کیسه‌ای از یک پوسته فلزی و یک کیسه لاستیکی مصنوعی درونی تشکیل شده است. کیسه با گاز پر می‌شود. هنگامی که روغن وارد پوسته می‌شود، گاز موجود در کیسه فشرده می‌گردد و روغن از پوسته خارج می‌شود. هنگامی که تمام روغن تخلیه شد، فشار گاز تلاش می‌کند کیسه را از طریق دریچه خروجی به بیرون هل دهد — اما زمانی که کیسه با دریچه نشستنی در خروجی تماس پیدا می‌کند، روغن موجود درون پوسته به‌طور خودکار دربسته می‌شود.

شکل ۸-۸ سه نوع انباشته‌کننده مایع/گازی. همه این انواع از نیتروژن فشرده برای ذخیره‌سازی انرژی هیدرولیکی استفاده می‌کنند. نوع پیستونی (بالا)، نوع دیافراگمی (وسط) و نوع کیسه‌ای (پایین) از نظر نحوه جداسازی گاز و روغن با یکدیگر متفاوت هستند.

کاربردهای مدار انباشته‌کننده

انباشته‌کننده‌ها می‌توانند عملکردهای مختلفی در سیستم‌های هیدرولیکی انجام دهند: تأمین جریان، حفظ فشار و جذب ضربه.

تأمین جریان

تامین جریان یکی از کاربردهای شارژکننده (آکومولاتور) است. یک شارژکنندهٔ شارژشده منبعی از انرژی پتانسیل هیدرولیکی است. هنگامی که سیستم به جریان بیشتری نسبت به آنچه پمپ می‌تواند تأمین کند نیاز دارد، انرژی ذخیره‌شده در شارژکننده می‌تواند برای تولید جریان سیستم به کار رود. به‌عنوان مثال، اگر ماشینی طوری طراحی شده باشد که زمان واقعی کارکرد آن در طول چرخهٔ عملیاتی بسیار کوتاه باشد، یک پمپ با جابجایی کوچک می‌تواند مدتی شارژکننده را شارژ کند. هنگامی که ماشین فعال می‌شود، شیر جهت‌دار به موقعیت کاری منتقل می‌شود و شارژکننده بلافاصله روغن فشاردار را به سمت عملگر (اکچوئیتور) و بر اساس نیاز خروجی می‌کند. این روش استفاده از شارژکننده همراه با یک پمپ کوچک، توان اوج را ذخیره می‌کند؛ به عبارت دیگر، جریان/توان بالای یک پمپ/موتور بزرگ را در مدت زمان کوتاهی با یک پمپ/موتور کوچک که در مدت زمان طولانی‌تری میانگین‌گیری می‌شود، جایگزین می‌کند.

حفظ فشار

شارژکننده‌ها می‌توانند برای حفظ فشار به کار روند. هنگامی که پمپ/موتور جریان را به سایر بخش‌های سیستم تحویل می‌دهد، شارژکننده می‌تواند فشار را در یکی از شاخه‌های مدار حفظ کند.

وقتی سیستم نیاز دارد سیلندر قلاب‌زن A بازگردد، سیلندر قلاب‌زن B باید فشار را حفظ کند. هنگامی که شیر جهت‌دار A جابجا می‌شود، فشار در پمپ هیدرولیک و خطوط سیلندر A به سرعت کاهش می‌یابد، در حالی که فشار سیلندر B توسط آکومولاتور حفظ می‌شود که قبلاً مقدار کافی روغن تحت فشار را ذخیره کرده تا از نشت در خطوط سیلندر B جبران کند.

در کاربرد دیگری، یک سیلندر کاری نزدیک کوره با دمای محیطی بالا مواجه می‌شود که باعث انبساط حرارتی روغن می‌گردد. آکومولاتور حجم افزایش‌یافته را جذب کرده و فشار را در سطحی نسبتاً ثابت حفظ می‌کند. در غیاب آکومولاتور، افزایش فشار در خطوط بدون کنترل خواهد بود و ممکن است منجر به پارگی پوسته قطعات، لوله یا اتصالات شود.

شکل ۸-۱۰: آکومولاتور برای حفظ فشار. (بالا) فشار را در یک شاخه مدار حفظ می‌کند در حالی که پمپ به مدار دیگری خدمت می‌کند. (پایین) تغییرات حجمی ناشی از انبساط حرارتی روغن نزدیک منابع گرمایی را جذب می‌کند.

جذب ضربه

ذخیره‌کننده‌های مایع/گاز نیز می‌توانند برای جذب ضربه سیستم استفاده شوند. ضربه در یک سیستم هیدرولیکی می‌تواند ناشی از اینرسی بار متصل به سیلندر یا موتور، یا قطع ناگهانی جریان یا تغییر سریع جهت شیر جهت‌دهنده باشد که این امر منجر به ایجاد ضربه به دلیل اینرسی مایع می‌شود. ذخیره‌کننده‌ای که در مدار قرار گرفته باشد، بخشی از این ضربه را جذب کرده و از گسترش آن در سراسر سیستم جلوگیری می‌کند.

نیروهای مکانیکی خارجی نیز می‌توانند ضربه هیدرولیکی ایجاد کنند. باری که به سیلندر هیدرولیکی متصل است و تمایل به بازگشت دارد، پیستون را به عقب هل می‌دهد و باعث ایجاد ضربه هیدرولیکی می‌شود. ذخیره‌کننده‌ای که در خط سیلندر نصب شده باشد، در صورت شارژ صحیح، به کاهش اثر ضربه کمک می‌کند. اما در صورت شارژ نادرست، ممکن است باعث ایجاد فشار بیش از حد نیز شود.

شارژ ایزوترمال و آدیاباتیک

از آنجا که انباشته‌کننده‌های سیال/گاز از گاز فشرده برای ذخیره‌سازی فشار روغن استفاده می‌کنند، ویژگی‌های گاز بر عملکرد انباشته‌کننده تأثیر می‌گذارد. هنگام شارژ کردن یک انباشته‌کننده سیال/گاز، گاز فشرده می‌شود و دمای آن افزایش می‌یابد. در فشار ثابت، گاز گرم فضای بیشتری نسبت به گاز سرد اشغال می‌کند.

فرآیند ایزوترمال وضعیت کاری انباشته‌کننده را توصیف می‌کند که در آن دمای گاز ثابت نگه داشته می‌شود. در حین شارژ کردن، عملیات ایزوترمال به این معناست که گاز به‌اندازه‌ای آهسته فشرده می‌شود که تمام گرمای تولیدشده در اثر فشرده‌سازی به‌طور کامل از دست داده شود. فرآیند آدیاباتیک وضعیت کاری انباشته‌کننده را توصیف می‌کند که در آن دمای گاز تغییر می‌کند. در حین شارژ کردن، آدیاباتیک به این معناست که گاز به‌قدری سریع فشرده می‌شود که تمام گرمای تولیدشده در آن محبوس باقی بماند.

برای یک انباشته‌کننده سیال/گاز که تا فشار یکسانی شارژ شده است، فرآیند ایزوترمال روغن بیشتری را نسبت به فرآیند آدیاباتیک ذخیره می‌کند.

مثال عددی: ابتدا فشار گاز در یک انباشته‌کننده پیستونی ۵۰۰ psi (۳۴٫۴۸ بار) و دمای آن ۷۰°F (۲۱°C) است. اگر این انباشته‌کننده به‌صورت آدیاباتیک (سریع) تا فشار ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار) شارژ شود، دما و فشار همزمان افزایش می‌یابند. در فشار ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار)، ورود روغن متوقف می‌شود؛ دما به ۱۵۰°F (۶۵٫۶°C) می‌رسد و انباشته‌کننده ۱۳۵ اینچ مکعب (۲۲۱۵٫۶۵ سانتی‌متر مکعب) روغن ذخیره می‌کند. اگر شارژ به‌صورت ایزوترمال (آهسته) انجام شود، دما در طول کل فرآیند ثابت و برابر با ۷۰°F (۲۱°C) باقی می‌ماند؛ در فشار ۱۰۰۰ psi (۶۸٫۹۷ بار) ورود روغن متوقف می‌شود و انباشته‌کننده ۱۵۰ اینچ مکعب (۲۴۵۸٫۵ سانتی‌متر مکعب) روغن ذخیره می‌کند.

شکل ۸-۱۲: مقایسه شارژ ایزوترمال و آدیاباتیک. شارژ آهسته (ایزوترمال) در فشار نهایی یکسان، حجم بیشتری از روغن را نسبت به شارژ سریع (آدیاباتیک) ذخیره می‌کند، زیرا دما پایین‌تر باقی می‌ماند و گاز فضای کمتری اشغال می‌کند.

تخلیه ایزوترمال و آدیاباتیک

در طول تخلیه روغن، گاز منبسط شده و خنک می‌شود. در فشار ثابت، گاز سردتر فضای کمتری نسبت به گاز گرم‌تر اشغال می‌کند. در عمل، عملکرد آکومولاتور معمولاً بی‌حرارت (آدیاباتیک) است — نه هم‌دما (ایزوترمال). در بخش‌های بعدی، نگرانی اصلی این نیست که آکومولاتور چقدر روغن را می‌تواند ذخیره کند، بلکه این است که چقدر روغن را پیش از افت فشار به سطح پایین‌تری خارج می‌کند؛ که این مقدار تحت تأثیر قابل توجهی از فشار پیش‌بارگذاری قرار دارد.

فشار پیش‌بارگذاری

هنگامی که آکومولاتور کاملاً از روغن خالی است، فشار گازی که در آکومولاتور مایع/گازی تزریق می‌شود، فشار پیش‌بارگذاری نامیده می‌شود. این فشار تأثیر قابل توجهی بر حجم مؤثر و عملکرد جذب ضربه‌ای آکومولاتور دارد.

تأثیر فشار پیش‌بارگذاری بر حجم مؤثر

ذخیره‌کننده‌های مایع/گاز که برای تولید جریان سیستم یا حفظ فشار استفاده می‌شوند، معمولاً در بازه‌ای بین حداکثر و حداقل فشار کاری عمل می‌کنند. هنگامی که ذخیره‌کننده به‌طور کامل با روغن پر می‌شود، به حداکثر فشار کاری می‌رسد. هنگامی که نیاز به آن احساس شود، فشار کاری کاهش یافته و ذخیره‌کننده روغن را تا رسیدن به فشار حداقل پایین‌تر تخلیه می‌کند. حجم روغنی که ذخیره‌کننده بین حداکثر و حداقل فشار کاری تخلیه می‌کند، حجم مؤثر نامیده می‌شود.

فشار پیش‌بارگذاری بر حجم مؤثر تأثیر می‌گذارد. مثال: یک ذخیره‌کننده مایع/گاز با ظرفیت ۲۳۱ اینچ مکعب (۳۷۸۶ سانتی‌متر مکعب) در یک سیستم، از یک پمپ کوچک برای پرکردن روغن تا فشار سیستم معادل ۲۰۰۰ psi (۱۳۷٫۹ بار) استفاده می‌کند. برای تأمین جریان، فشار اجازه دارد تا ۱۵۰۰ psi (۱۰۳٫۴ بار) کاهش یابد. فشار پیش‌بارگذاری انتخاب‌شده تعیین‌کننده مقدار روغنی است که ذخیره‌کننده به سیستم تأمین می‌کند.

بر اساس جدول عملکرد، یک انباشته‌کننده با ظرفیت ۲۳۱ اینچ مکعب (۳٬۷۸۶ سانتی‌متر مکعب) و فشار پیش‌بارگذاری ۱۰۰ psi (۶٫۸۹ بار) می‌تواند در فشار ایزوترمال ۱٬۰۰۰ psi (حد بالا = مقادیر ایزوترمال) حجم ۲۱۰ اینچ مکعب (۳٬۴۴۱٫۹ سانتی‌متر مکعب) روغن را ذخیره کند. در فشار ۱٬۵۰۰ psi (۱۰۳٫۴ بار) این حجم به ۲۰۲ اینچ مکعب (۳٬۳۱۰٫۸ سانتی‌متر مکعب) کاهش می‌یابد و بنابراین ۸ اینچ مکعب (۱۳۱ سانتی‌متر مکعب) روغن بین این دو فشار تخلیه می‌شود. این انباشته‌کننده با فشار پیش‌بارگذاری پایین، حجم زیادی روغن را ذخیره می‌کند اما تنها مقدار بسیار اندکی را تخلیه می‌نماید.

با افزایش فشار پیش‌بارگذاری به ۱٬۰۰۰ psi (۶۸٫۹۶ بار)، انباشته‌کننده در فشار ۲٬۰۰۰ psi (۱۳۷٫۹ بار) حجم ۹۳ اینچ مکعب (۱٬۵۲۴٫۳ سانتی‌متر مکعب) و در فشار ۱٬۵۰۰ psi (۱۰۳٫۴ بار) حجم ۵۹٫۵ اینچ مکعب (۹۷۵ سانتی‌متر مکعب) روغن را ذخیره می‌کند و در نتیجه ۳۳٫۵ اینچ مکعب (۵۹۴٫۱ سانتی‌متر مکعب) روغن تخلیه می‌نماید. فشار پیش‌بارگذاری بالاتر، حجم کمتری روغن را ذخیره می‌کند اما تخلیه‌ی بسیار بیشتری انجام می‌دهد. با فشار پیش‌بارگذاری ۱٬۴۰۰ psi (۹۶٫۶ بار)، حجم ذخیره‌شده‌ی روغن حداقل و حجم تخلیه‌شده‌ی روغن حداکثر است.

شکل ۸-۱۳: جدول عملکرد انباشته‌کننده (ظرفیت ۲۳۱ اینچ مکعب). فشار پیش‌بارگذاری بالاتر، حجم بیشتری روغن را در هر چرخه بین محدوده‌های فشار مشخص تخلیه می‌کند، اما حجم کل روغن ذخیره‌شده را کاهش می‌دهد. فشار پیش‌بارگذاری را بر اساس حجم مؤثر مورد نیاز انتخاب کنید، نه بر اساس ظرفیت کلی.

کنترل خروجی حجم مؤثر

خروجی حجم مؤثر یک انباشته‌کننده باید توسط دبی کنترل شود. برای حفظ فشار، دبی کنترل‌شده بر اساس نشتی تعیین می‌شود که نیاز به جبران دارد. در مورد انباشته‌کننده‌هایی که برای تأمین روغن تحت فشار استفاده می‌شوند، هنگامی که شیر جهت‌دهندهٔ پایین‌دست جابجا می‌شود، خروجی حجم مؤثر بیش از حد سریع است. به همین دلیل، این انباشته‌کننده‌ها اغلب شیرهای کنترل دبی و شیرهای بازگشتی دور زننده را در پورت‌های ورودی/خروجی خود دارند.

هنگامی که یک انباشته‌کنندهٔ مایع/گاز به‌عنوان جاذب ضربه استفاده می‌شود، فشار اولیهٔ آن معمولاً کمی بالاتر از حداکثر فشار کاری در مدار تنظیم می‌شود (تقریباً ۱۰۰ psi / ۶٫۸۹۶ بار بالاتر از حداکثر فشار کاری که توسط تنظیم‌کنندهٔ شیر اطمینان تعیین شده است). اگر حداکثر فشار کاری توسط شیر اطمینان تعیین شده باشد، فشار اولیه را می‌توان تقریباً ۱۰۰ psi بالاتر از تنظیم شیر اطمینان قرار داد.

تأثیر فشار اولیه بر جذب ضربه

فشار پیش‌بارگذاری ذخیره‌کننده مایع/گاز بر توانایی جذب ضربه آن تأثیر می‌گذارد. در یک سیستم هیدرولیکی، ضربه ناشی از نیروهای مکانیکی خارجی وارد بر سیلندر یا موتور که باعث افزایش سریع فشار می‌شوند، یا ناشی از اینرسی مایع هنگام بسته شدن ناگهانی شیر هیدرولیکی است.

ذخیره‌کننده می‌تواند بخشی از روغن فشار ضربه‌ای را که قابلیت فشرده‌شدن و انتقال دارد، جذب کند. یک خط حاوی ذخیره‌کننده در فشار بالاتر از حد معینی قابلیت فشرده‌شدن پیدا می‌کند. اگر فشار پیش‌بارگذاری بسیار پایین باشد، ذخیره‌کننده پیش از ورود ضربه مقداری روغن را در خود ذخیره کرده است؛ بنابراین تنها قادر به جذب ۴ اینچ مکعب (۶۵٫۶ سانتی‌متر مکعب) است. اگر فشار پیش‌بارگذاری ۲۵۰۰ psi (۱۷۲٫۴ بار) باشد — که بسیار بالا است — فشار تا حدود ۲۸۰۰ psi (۱۹۳ بار) افزایش می‌یابد قبل از اینکه ۴ اینچ مکعب جذب شود. در جاذب‌های ضربه، فشار پیش‌بارگذاری اهمیت بسیار بالایی دارد.

از دست رفتن فشار پیش‌بارگذاری

یک ذخیره‌کننده مایع/گاز یک‌بار با گاز به فشار پیش‌بارگذاری مناسب شارژ می‌شود. این بدان معناست که نمی‌توان فشار پیش‌بارگذاری یکسان را به‌طور نامحدود حفظ کرد. هنگام کارکرد ذخیره‌کننده، گاز فشرده از طریق شیر گاز نشت می‌کند — احتمالاً به دلیل خرابی شیر گاز یا درزنشینی نامناسب آن، یا مشکل در قرارگیری صحیح هسته مخروطی شیر روی صفحه نشستن شیر. همچنین فشار گاز در طول تخلیه روغن برای ذخیره‌کننده‌های مثانه‌ای و دیافراگمی به‌تدریج کاهش می‌یابد — این امر معمولاً به‌صورت ناگهانی و فاجعه‌بار رخ می‌دهد و باعث پارگی ماده لاستیکی مصنوعی دیافراگم می‌شود. برای ذخیره‌کننده‌های پیستونی، در فرآیند تخلیه، گاز شارژشده می‌تواند از طریق آب‌بندی‌های ساییده‌شده از ناحیه پیستون گذشته و نشت کند. کاهش تدریجی فشار پیش‌بارگذاری می‌تواند نشان‌دهنده وجود سایش جزئی در ذخیره‌کننده نوع پیستونی باشد.

بررسی فشار پیش‌بارگذاری

فشار پیش‌بارگذاری صحیح برای عملکرد انباشته‌کننده‌های مایع/گاز حیاتی است، بنابراین باید به‌طور منظم بررسی شود. برای بررسی فشار پیش‌بارگذاری، نیاز به دستگاهی برای شارژ کردن مجهز به مانومتر است. این دستگاه عمدتاً از سری تخلیه (چاک)، شیر تخلیه و مانومتر تشکیل شده است.

روش بررسی: تمام روغن موجود در انباشته‌کننده را تخلیه کنید، سپس درپوش محافظ آن را بردارید (معمولاً روی شیر گاز در قسمت بالایی قرار دارد). با کشیدن کامل دسته چاک به سمت عقب، اطمینان حاصل کنید که شیر تخلیه بسته است. چاک شارژ را به شیر گاز انباشته‌کننده متصل کنید، مهره بالشتک چاک را سفت کنید و اطمینان حاصل کنید که اتصالی محکم بین چاک و شیر گاز ایجاد شده است. پیچ چاک را به‌سوی داخل بچرخانید تا هسته شیر گاز انباشته‌کننده به‌طور کامل فشرده شود؛ فشار نشان‌داده‌شده روی مانومتر را بخوانید — این فشار، فشار پیش‌بارگذاری انباشته‌کننده است.

اگر پیش‌شارژ صحیح باشد، دستهٔ چکش را در جهت خارج کردن چرخانده تا شیر گاز انباشته‌کننده بسته شود، شیر تخلیه را باز کنید تا دستگاه شارژ فشار خود را از دست دهد، مهرهٔ بالشتکی چکش را شل کنید، دستگاه را از انباشته‌کننده جدا نمایید و سپس کلاهک محافظ شیر گاز را مجدداً نصب کنید.

اگر فشار اولیه بیش از حد باشد، شیر تخلیه را باز کنید تا فشار اضافی آزاد شود. اگر لازم باشد فشار اولیه افزایش یابد، ابتدا دستهٔ چکش را بکشید تا شیر گاز انباشتگر بسته شود، سپس شیر تخلیه را باز کنید تا دستگاه شارژ شده فشار خود را از دست دهد؛ پس از آن شیر تخلیه را ببندید و دستگاه شارژ را به سیلندر نیتروژن متصل کنید. دستهٔ چکش را در جهت داخل چرخانده تا هستهٔ شیر گاز انباشتگر به‌طور کامل فشرده شود، سپس شیر سیلندر نیتروژن را باز کنید تا گاز به‌آرامی وارد انباشتگر شود. وقتی مانومتر فشار مورد نظر را نشان داد، شیر گاز را ببندید. پس از آنکه مانومتر فشار اولیهٔ صحیح را نشان داد، شیر سیلندر نیتروژن را ببندید، دستهٔ چکش را بکشید تا شیر گاز انباشتگر بسته شود، شیر تخلیه را باز کنید و سپس لولهٔ انعطاف‌پذیر شارژ و دستگاه شارژ را جدا کنید.

شکل ۸-۱۵: بررسی و تنظیم فشار اولیهٔ انباشتگر. (بالا) سیل‌های ساییدهٔ پیستون باعث افت تدریجی فشار اولیه می‌شوند. (پایین) مجموعهٔ استاندارد شارژ نیتروژن — همیشه از نیتروژن خشک استفاده کنید و هرگز از هوای فشرده.

تخلیه پمپ هیدرولیک در مدار انباشته‌کننده

در یک مدار هیدرولیک معمولی با انباشته‌کننده، زمانی که انباشته‌کننده به‌طور کامل شارژ شده و هیچ بخشی از سیستم در حال کار نیست، جریان پمپ/موتور باید در فشاری حدالامکان پایین به مخزن تخلیه شود. در مدار نشان‌داده‌شده، برای تخلیه از شیر تخلیه استفاده می‌شود. به محض اینکه فشار انباشته‌کننده به مقدار تنظیم‌شده شیر تخلیه برسد، این شیر باز می‌شود و جریان پمپ را به سمت مخزن هدایت می‌کند.

معمولاً این نوع تخلیه تنها می‌تواند چند ثانیه طول بکشد، زیرا همیشه مقداری نشت در قسمت پایین‌دست شیر یک‌طرفه وجود دارد. انباشته‌کننده باید این نشت را جبران کند — فشار به‌تدریج کاهش می‌یابد — شیر تخلیه به‌تدریج بسته می‌شود و بازشد در مسیر تخلیه به سمت مخزن کوچک‌تر و کوچک‌تر می‌شود، تا زمانی که فشار انباشته‌کننده به زیر فشار بازشدن شیر برسد. هنگامی که شیر بسته می‌شود، پمپ/موتور باید توان بیشتری تولید کند تا انباشته‌کننده را دوباره تا فشار تنظیم‌شده شیر تخلیه شارژ کند.

برای اطمینان از تخلیه کامل پمپ/موتور قبل از شارژ مجدد آکومولاتور، می‌توان از کلید فشار استفاده کرد. در مدار، این کلید فشار فشار آکومولاتور را تشخیص داده و در نقطه فشار تعیین‌شده، یک سیگنال الکتریکی قطع‌ووصل ارسال می‌کند. این سیگنال الکتریکی به یک شیر سولنوئیدی دوطرفه با حالت عادی بسته ارسال می‌شود — این شیر سولنوئیدی می‌تواند یک شیر اطمینان عمل‌کرد pilot را کنترل کند تا تخلیه انجام شود. هنگامی که فشار آکومولاتور به مقدار تنظیم‌شده روی کلید فشار برسد، رله سیگنالی را به شیر سولنوئیدی ارسال می‌کند تا شیر اطمینان را تخلیه کرده و جریان پمپ/موتور را از طریق شیر اطمینان به مخزن هدایت نماید.

شکل ۸-۱۶: مدارهای تخلیه آکومولاتور. (بالا) شیر تخلیه ساده — در صورت رسیدن فشار آکومولاتور به مقدار تنظیم‌شده، محتویات را به مخزن تخلیه می‌کند، اما تمایل به چرخه‌گردی دارد. (پایین) کلید فشار همراه با شیر اطمینان عمل‌کرد pilot — تضمین‌کننده تخلیه کامل و کنترل دقیق باند فشار است.

شیر تخلیه اختلاف فشار

پس از شارژ شدن انباشته‌کننده، شیر تخلیه‌کننده اختلاف فشار می‌تواند جایگزین کلید فشار و شیر سولنوئیدی شود تا شیر اطمینان را باز کرده و پمپ/موتور را تخلیه نماید. شیر تخلیه‌کننده اختلاف فشار، شیر هیدرولیکی است که به‌طور خاص برای کاربردهای انباشته‌کننده طراحی شده است. همان‌طور که از نام آن پیداست، این شیر از اختلاف فشار برای تخلیه پمپ/موتور استفاده می‌کند.

ساخت و ساز

شیر تخلیه‌کننده اختلاف فشار از یک شیر اطمینان با عملکرد پیلوتی، یک شیر چک و یک پیستون اختلافی در یک بدنه شیر تشکیل شده است. بدنه شیر دارای سه پورت است: پورت فشار، پورت برگشت و پورت انباشته‌کننده.

چگونه کار می‌کند

در داخل شیر تخلیه فشار تفاضلی، شیر چک و شیر اطمینان عمل‌کننده از طریق پیلوت به‌طور نرمال کار می‌کنند. روغن خروجی پمپ می‌تواند اکومولاتور را از طریق شیر چک شارژ کند. پیستون تفاضلی در مقابل سوپاپ پیلوت اطمینان قرار گرفته و می‌تواند آزادانه در مجرای خود حرکت کند. دو انتهای این پیستون تحت فشارهایی با سطح برابر قرار دارند. هنگامی که اکومولاتور در حال شارژ است، فشار دو طرف پیستون تقریباً برابر است (با صرف‌نظر از افت فشار از طریق شیر چک)، بنابراین پیستون حرکتی نمی‌کند. وقتی فشار وارد بر سوپاپ پیلوت به اندازه کافی زیاد شود، سوپاپ پیلوت از جایگاه خود جابه‌جا می‌شود — همان‌طور که قبلاً مشخص است، این جابه‌جایی سوپاپ پیلوت می‌تواند فشار موجود در حفره فنر شیر اصلی را محدود کند. از آنجا که حفره فنر شیر اصلی و یکی از انتهای پیستون تفاضلی تحت فشار محدود شده‌اند، پیستون به سمت سوپاپ پیلوت حرکت کرده و سوپاپ پیلوت را کاملاً از جایگاه خود خارج می‌کند؛ در نتیجه فشار کنترلی وارد بر حفره فنر سوپاپ اصلی حذف شده، شیر اطمینان تخلیه می‌شود و پمپ/موتور تخلیه می‌گردد. در همین حال، شیر چک نیز بسته می‌شود تا روغن اکومولاتور از طریق شیر اطمینان تخلیه نشود.

مساحت پیستون تفاضلی در معرض فشار، ۱۵٪ بزرگ‌تر از مساحت شیر اهرمی (پایلوت) است. از آنجا که نیرو برابر است با فشار ضرب‌در مساحت، نیرویی که پیستون اهرمی را از صندلی‌اش دور نگه می‌دارد، ۱۵٪ بیشتر از نیرویی است که پیستون اهرمی را بلند می‌کند. این بدان معناست که فنر باید نیرویی بیشتر از ۱۵٪ از منبع دیگری دریافت کند تا پیستون اهرمی دوباره روی صندلی‌اش قرار گیرد — یا اینکه فشار سیستم باید تا ۱۵٪ کاهش یابد تا پیستون اهرمی بتواند دوباره روی صندلی‌اش قرار گیرد.

این امر تضمین می‌کند که شیر تخلیه‌کننده اختلاف فشار، پمپ/موتور را پس از شارژ انباشته‌کننده (اکومولاتور) در حالت بدون بار نگه می‌دارد تا زمانی که فشار به میزان درصد ثابتی — معمولاً حدود ۱۵٪ تنظیم‌شده برای شیر اهرمی — کاهش یابد. به‌عنوان مثال، اگر شیر اهرمی در فشار ۱۰۰۰ psi (۶۹ بار) تنظیم شده باشد، تخلیه در محدوده فشاری بین ۱۰۰۰ psi (۶۹ بار) و ۸۵۰ psi (۵۹ بار) انجام می‌شود؛ و اگر شیر اهرمی در فشار ۲۰۰۰ psi (۱۳۸ بار) تنظیم شده باشد، محدوده تخلیه بین ۲۰۰۰ psi (۱۳۸ بار) و ۱۷۰۰ psi (۱۱۷ بار) خواهد بود.

سیلندر هیدرولیک — ساختار دقیق و نحوه عملکرد

در هر کاربردی، برای اینکه انرژی هیدرولیکی در کارهای مکانیکی مفید مورد استفاده قرار گیرد، باید به انرژی مکانیکی تبدیل شود. سیلندرهای هیدرولیکی انرژی هیدرولیکی را به حرکت مکانیکی خطی تبدیل می‌کنند.

ساختار سیلندر

سیلندر هیدرولیکی از بدنه (بارِل)، پیستونی قابل حرکت با حلقه‌های آب‌بندی انعطاف‌پذیر که به میله پیستون متصل است و دو سرپوش انتهایی تشکیل شده است. سرپوش‌های انتهایی می‌توانند به‌صورت ر threaded (دارای رزوه)، فلنجی، کشیده‌شده روی بدنه یا جوش‌داده‌شده به بدنه باشند. در سیلندرهای هیدرولیکی صنعتی، اغلب از اتصالات میله‌ای بولت‌خورده استفاده می‌شود. هنگامی که میله پیستون حرکت می‌کند، مجموعه آب‌بندی میله پیستون یا حلقه راهنمای جداشدنی که میله پیستون را هدایت و پشتیبانی می‌کند، نامیده می‌شود.

سر انتهایی که میله پیستون از آن خارج می‌شود، «سر میله» نامیده می‌شود؛ و سر انتهایی دیگر که میله‌ای ندارد، «سر کور» نامیده می‌شود. دریچه‌های ورودی و خروجی روی سرپوش‌های سر میله و سر کور قرار دارند.

نشانگرهای

برای عملکرد صحیح، آبگیرهای راهنمای پیستون و میلهٔ پیستون سیلندر هیدرولیک باید دارای آبگیرهای قابل اعتماد باشند. آبگیرهای رایج استفاده‌شده در پیستون‌های سیلندر هیدرولیک شامل آبگیرهای لبه‌دار، حلقه‌های پیستونی از جنس آهن ریخته‌گری، یا واحدهای آبگیر تک‌جهته یا دو‌جهته هستند. مواد و اجزای آبگیر باید از نظر سازگاری با سیال کاری و شرایط عملیاتی تأیید شوند.

آبگیر چندلایهٔ میلهٔ پیستون نوعی آبگیر مؤثر برای میلهٔ پیستون است که از یک آبگیر اصلی با سطح داخلی آبگیر لبه‌دار، یک وایپر که در طول عملیات به‌طور مداوم با سطح میلهٔ پیستون تماس دارد و روغن کاری را از سطح میلهٔ پیستون پاک می‌کند، تشکیل شده است. آبگیر گرد و غبار ثانویه، روغن باقی‌مانده‌ای را که توسط آبگیر اصلی جا مانده است جمع‌آوری می‌کند و در هنگام بازگشت میلهٔ پیستون، هرگونه آلودگی یا ذرات خارجی متصل به میلهٔ پیستون را پاک می‌کند.

تخلیهٔ حفرهٔ آبگیر

همان‌طور که در بالا توضیح داده شد، روغنی که در حفره بین آب‌بند اصلی و آب‌بند گرد و غبار جمع می‌شود، می‌تواند در طول ضربه بازگشتی به داخل سیلندر بازگردد — این امر طبیعی است. با این حال، اگر طول ضربه سیلندر بسیار زیاد باشد (۱۰ فوت یا ۳٫۰۵ متر و بیشتر)، مقدار روغن جمع‌شده در حفره آب‌بند ممکن است به حدی باشد که ظرفیت آب‌بند میله پیستون را از سر ببرد. در این حالت و هنگامی که روغن اضافی در حفره آب‌بند وجود دارد، باید حفره آب‌بند میله پیستون دارای اتصال تخلیه خارجی باشد.

شکل ۸-۱۸: جزئیات ساختار سیلندر. درپوش انتهای میله شامل مجموعه آب‌بند میله پیستون است. برای سیلندرهای با ضربه بلند، یک دریچه تخلیه برای جلوگیری از فشار بیش‌ازحد روغن بر آب‌بند اضافه می‌شود.

ضربه هیدرولیکی

وقتی انرژی هیدرولیکی پیستون سیلندر را به انتهای ضربه (انتهای حرکت سیلندر) هل می‌دهد، اینرسی روغن به‌صورت ضربه ظاهر می‌شود — همان‌چه که «ضربه هیدرولیکی» نامیده می‌شود. اگر این انرژی به‌اندازه کافی بزرگ باشد، این ضربه می‌تواند به سیلندرهای هیدرولیکی آسیب برساند.

دستگاه کاهش ضربه

برای محافظت از سیلندرهای هیدرولیک در برابر ضربه‌های شدید، می‌توان دستگاه‌های کمپرسیون (کاشن) نصب کرد. این دستگاه‌ها می‌توانند سرعت پیستون سیلندر را در نزدیکی انتهای حرکت کاهش دهند. دستگاه‌های کمپرسیون می‌توانند در یکی از انتهای سیلندر هیدرولیک یا در هر دو انتها نصب شوند.

ساختار دستگاه کمپرسیون

دستگاه کمپرسیون از یک شیر سوزنی کنترل‌کننده جریان و یک میله کمپرسیون (اسپیر کمپرسیون) تشکیل شده است که روی انتهای کور پیستون نصب می‌شود، و همچنین یک غلاف کمپرسیون روی میله پیستون قرار دارد. این اجزا در هر انتها به‌عنوان درپوش عمل می‌کنند.

روش کار دستگاه کمپرسیون

هنگامی که پیستون سیلندر هیدرولیک به انتهای حرکت خود نزدیک می‌شود، شاخه بافر یا جعبه بافر خروجی عادی روغن را مسدود می‌کند. این امر موجب می‌شود که روغن تنها از طریق شیر سوزنی عبور کند. بخشی از روغن تحت فشار در تنظیم شیر اطمینان از طریق شیر سوزنی خارج می‌شود. جریان باقی‌مانده از طریق شیر سوزنی، نرخ کاهش سرعت سیلندر را تعیین می‌کند. تنظیم شیر سوزنی، نرخ کاهش سرعت پیستون را تعیین می‌کند. در حرکت برگشتی، جریان از طریق یک شیر چک تکی (که در شکل نشان داده نشده است) وارد سیلندر می‌شود تا از شیر سوزنی عبور کند؛ بنابراین سرعت حرکت معکوس تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد.

تنظیم حرکت

گاهی اوقات طول حرکت یک سیلندر هیدرولیک باید توسط کنترل خارجی محدود شود. با نصب پیچ توقف که می‌توان آن را در بدنه سیلندر به‌صورت قابل تنظیم در و خارج کرد، می‌توان طول حرکت را از پیش تنظیم نمود. هر نوع تنظیم‌کننده حرکت باید از نظر نیروی توقف، برخورد، ضربه و اثرات ابعادی در برابر الزامات مورد بررسی و تأیید قرار گیرد.

شکل ۸-۱۹: کوسن‌های سیلندر، تنظیم‌کننده‌های طول حرکت، روشهای نصب و انواع بار. کوسن‌ها سیلندر را در انتهای حرکت محافظت می‌کنند؛ و روش نصب تعیین می‌کند که سیلندر تا چه حد می‌تواند بار خود را به‌خوبی تحمل کند.

روش‌های نصب سیلندر هیدرولیک

سیلندرهای هیدرولیک دارای روش‌های متعددی برای نصب هستند، از جمله: فلنج‌ها، محورهای چرخشی (ترانیون‌ها)، نگهدارنده‌های جانبی (ساید-لاگ)، پیچ‌های خط مرکزی، حلقه‌های دوگانه لاگ، میله‌های اتصال (تای-رود) و اتصالات جوشی. نگهدارنده‌های خط مرکزی (سنتر-لاگ) یا اتصالات جوشی طراحی بسیار مناسبی هستند، زیرا حداقل عدم هم‌محوری در عملیات سیلندر را ایجاد می‌کنند.

حرکت مکانیکی

سیلندرهای هیدرولیک می‌توانند انرژی هیدرولیک را به حرکت مکانیکی خطی یا مستقیم تبدیل کنند. با این حال، با توجه به انتخاب اتصالات مکانیکی، سیلندرها می‌توانند انواع مختلفی از حرکت مکانیکی را نیز فراهم کنند.

انواع بار

سیلندرهای هیدرولیک می‌توانند انواع مختلفی از بارها را در کاربردهای متعددی جابه‌جا کنند. به‌طور کلی، بارهایی که توسط میله پیستون به‌سمت بیرون هل داده می‌شوند، «بارهای هلی» نامیده می‌شوند؛ و بارهایی که توسط میله پیستون به‌سمت داخل کشیده می‌شوند، «بارهای کششی» نامیده می‌شوند.

لوله توقف

لوله توقف یک جعبه فلزی جامد است که روی میله پیستون نصب می‌شود. وقتی میله پیستون سیلندر با ساکشن بلند به‌طور کامل بیرون آمده باشد، لوله توقف فاصله‌ای بین پیستون و جعبه راهنما ایجاد می‌کند. جعبه راهنمای میله پیستون یک یاتاقان است که در حین عملکرد سیلندر، میله پیستون را نگه می‌دارد و برای تحمل بار مشخصی طراحی شده است. جعبه راهنمای میله پیستون علاوه بر اینکه به‌عنوان یک شفت عمل می‌کند، نقطه اعمال بار بر میله پیستون نیز محسوب می‌شود. در سیلندرهای با ساکشن بلند که به بارهای خارجی متصل هستند، میله پیستون بدون وجود یک جعبه راهنمای صلب، در حالت کشیده‌شده کامل تمایل به خم‌شدن دارد یا ممکن است در محل جعبه راهنما خم شود که این امر منجر به ایجاد بار جانبی و آسیب به جعبه راهنمای میله پیستون می‌گردد.

عملکرد لوله توقف این است که در حالت کشیده‌شده کامل میله پیستون، فاصله‌ای بین پیستون و جعبه راهنما ایجاد کند و بدین ترتیب بار واردبر جعبه راهنمای میله پیستون را کاهش دهد.

انواع سیلندر

سیلندرهای هیدرولیکی انواع مختلفی دارند. در ادامه برخی از انواع رایج سیلندرها آورده شده‌اند؛ این انواع سیلندرها در مدارهای کاربردی خاصی در دروس بعدی نیز ظاهر خواهند شد.

• سیلندر تک‌میله‌ای: سیلندر دارای میله پیستونی است که از یک سر آن خارج شده است.
• سیلندر دو‌میله‌ای: این سیلندر دارای یک پیستون و میله پیستونی است که از هر دو سر آن بیرون می‌آید.
• سیلندر دوطرفه عمل‌کننده: در این نوع، فشار هیدرولیک به‌طور متناوب بر روی هر دو سطح پیستون سیلندر اثر می‌گذارد و باعث می‌شود میله پیستون به‌صورت پیش‌رو و عقب‌رو حرکت کند.
• سیلندر تلسکوپی: بدنه سیلندر دارای چند بخش تلسکوپی است که می‌تواند حرکت خطی بلندی را از طول کوتاه جمع‌شده فراهم کند.
• سیلندر سری‌العمل: این سیلندر از دو یا چند سیلندر به‌صورت سری تشکیل شده است. میله‌های پیستون به‌هم متصل‌اند و یک میله پیستون مشترک را تشکیل می‌دهند. آب‌بندی‌های میله پیستون بین سیلندرها نصب شده‌اند تا هر سیلندر بتواند به‌صورت دوطرفه عمل‌کننده باشد.
• سیلندر دوبل: این سیلندر حداقل از دو بدنه تشکیل شده است و امکان عمل‌کرد دوطرفه برای هر سیلندر را فراهم می‌کند.

شکل ۸-۲۰ انواع سیلندرهای هیدرولیکی. هر نوع برای کاربرد خاصی مناسب است: تلسکوپی برای حرکت خطی بلند در فضای محدود، دوتایی برای نیروی بالا در قطر محدود سیلندر، و دوطرفه با دو میله پیستون برای ایجاد نیرو/سرعت برابر در هر دو جهت.

عملکرد سیلندر دوطرفه با یک میله پیستون

شایع‌ترین نوع در هیدرولیک صنعتی، سیلندر دوطرفه با یک میله پیستون است. در این نوع، مسائل کلیدی عبارتند از نرخ جریان مجاز (گالن در دقیقه) و فشار مجاز (psi)، و همچنین نیروی مکانیکی تبدیل‌شده و حرکت میله پیستون.

مساحت پیستون و مساحت مؤثر پیستون

مساحت پیستون و مساحت مؤثر پیستون معمولاً برای سیلندرهای دوطرفه با یک میله پیستون مورد بحث قرار می‌گیرند. مساحت بزرگ پیستون، مساحت کامل مقطع عرضی پیستون است که در انتهای کور سیلندر (طرف بدون میله) تحت فشار قرار می‌گیرد. مساحت کوچک مؤثر (مساحت حلقه‌ای) مساحتی از پیستون است که در طرف میله پیستون تحت فشار قرار می‌گیرد، زیرا میله پیستون بخشی از مساحت پیستون را اشغال می‌کند. بنابراین، مساحت کوچک مؤثر معمولاً کمتر از مساحت بزرگ است.

سرعت انبساط میله پیستون

سرعت انبساط میله پیستون سیلندر هیدرولیکی توسط سرعت پر شدن انتهای کور سیلندر با سیال تعیین می‌شود. سرعت میله پیستون معمولاً بر حسب فوت در دقیقه (ft/min) یا متر در دقیقه (m/min) بیان می‌شود:

مثال: سیلندری با مساحت پیستون ۱۰ in² (۶۴٫۵ cm²) دبی جریان ۵ gpm (۱۸٫۹۵ Lpm) را دریافت می‌کند. سرعت میله = (۵ × ۱۹٫۲۵) ÷ ۱۰ = ۹٫۶۳ ft/min (۴۹ mm/s). با دو برابر شدن دبی جریان (۱۰ gpm / ۳۷٫۹ Lpm)، سرعت میله نیز دو برابر شده و به ۱۹٫۲۵ ft/min (۹۷٫۳۳ mm/s) می‌رسد.

سرعت بازگشت میله پیستون

در حین بازگشت میله پیستون، جریان سیال وارد انتهای میله می‌شود. در همان دبی جریان ورودی، سرعت بازگشت بیشتر از سرعت انبساط است — در فرمول از مساحت کوچک‌تر (حلقوی) پیستون استفاده کنید.

مثال: دبی جریان ۱۰ گالن در دقیقه (۳۸ لیتر در دقیقه) وارد انتهای میله‌ای سیلندری با سطح بزرگ ۱۰ اینچ مربع (۶۵ سانتی‌متر مربع) و سطح کوچک ۸ اینچ مربع (۵۲ سانتی‌متر مربع) می‌شود. سرعت بازگشت = (۱۰ × ۱۹٫۲۵) ÷ ۸ = ۲۴٫۰۶ فوت در دقیقه (۰٫۱۲ متر بر ثانیه).

با دبی ورودی یکسان، سیلندر دو عملکردی با میله تک‌طرفه سریع‌تر از زمان پیشروی، بازمی‌گردد.

جریان تخلیه در حین بازگشت

در حین بازگشت، جریان وارد انتهای میله‌ای شده و از انتهای کور خارج می‌شود. جریان تخلیه بیشتر از جریان ورودی است — و می‌توان آن را با همان فرمول گالن در دقیقه (لیتر در دقیقه) محاسبه کرد، اما با استفاده از سطح پیستون بزرگ. مثال: ۱۰ گالن در دقیقه که با سرعت ۲۴٫۰۶ فوت در دقیقه وارد انتهای میله‌ای می‌شود: جریان خروجی = (۲۴٫۰۶ × ۱۰) ÷ ۱۹٫۲۵ = ۱۲٫۵ گالن در دقیقه (۴۶ لیتر در دقیقه).

عوامل مؤثر بر نیروی خروجی سیلندر

همان‌طور که نشان داده شده است، نیروی تولیدشده توسط سیلندر هیدرولیکی تابعی از فشار هیدرولیکی واردبر سطح پیستون سیلندر است. اگر سیلندر خاصی نیاز به تولید نیروی خروجی بیشتر از حداکثر مقدار فعلی داشته باشد، اغلب این امر با افزایش فشار به سطحی متناسب قابل دستیابی است. در برخی موارد، فشار سیستم و ابعاد سیلندر امکان استفاده از سیلندری بزرگ‌تر را فراهم نمی‌کنند — در اینجا سیلندر تاندم می‌تواند این مشکل را حل کند.

مدار سیلندر تاندم

سیلندر تاندم از دو یا چند سیلندر به‌صورت سری تشکیل شده است. میله‌های پیستون آن‌ها به‌هم متصل می‌شوند تا یک میلهٔ پیستون مشترک ایجاد کنند. درزبندی‌های میلهٔ پیستون بین سیلندرها امکان عملکرد دوطرفهٔ هر سیلندر را فراهم می‌کنند. زمانی که ابعاد سیلندر توسط فضای موجود و اندازهٔ ماشین محدود شده باشد، حتی اگر فشار تولیدشده توسط پمپ/موتور نسبتاً پایین باشد، همان نیروی مکانیکی خروجی قابل دستیابی است.

مثال: بزرگ‌ترین نصب‌شده ماشین اجازه می‌دهد که سطح مقطع پیستون تا ۱۰ اینچ مربع (۶۴٫۵ سانتی‌متر مربع) باشد. حداکثر فشار لازم برای غلبه بر مقاومت بار تنها ۵۰۰ psi (۳۴٫۴۸ بار) است. اعمال فشار اضافی ۵۰۰ psi (۳۴٫۴۸ بار) بر روی سطح مؤثر ۸ اینچ مربع (۵۱٫۶ سانتی‌متر مربع) در سمت عقب همراه با فشار معکوس، نیرویی معادل ۷۸۱ psi (۵۳٫۸۶ بار) ایجاد می‌کند. در یک مدار تاندم حاوی دو سیلندر، که هر کدام تحت فشار ۵۰۰ psi (۳۴٫۴۸ بار) و با سطح مقطع ۱۰ اینچ مربع و سطح مؤثر ۸ اینچ مربع کار می‌کنند، خروجی ترکیبی بسیار بزرگ‌تر است.