שסתום בקרה כיוונית מורכב מגוף שסתום עם מעברים פנימיים וחלק נייד הנקרא סליל. הסליל יכול לחבר או לחסום את המעברים הפנימיים. עבור רוב השסתומים ההידראוליים התעשייתיים הסטנדרטיים, הסליל הוא גלילי - סוג זה נקרא שסתום כיווני מסוג סליל, או פשוט שסתום סליל. שסתומי סליל הם הסוג הנפוץ ביותר של שסתום כיווני בהידראוליקה תעשייתית. פרק זה מסביר את סוגיהם, בנייתם, עקרונות הפעולה ושיטות הבקרה שלהם.

שסתום כיווני ארבע-כיווני

הסוג הראשון של שסתום כיווני שיש לקחת בחשבון הוא כזה בעל ארבעה מעברים פנימיים: מעבר לחץ, מעבר חזרה (מיכל) ושני מעברי עבודה. זהו שסתום כיווני ארבע-כיווני - הקרוי על שם ארבעת המעברים השונים בגוף השסתום שלו. שסתום כיווני ארבע-כיווני שולט על צילינדרים הידראוליים או מנועים הידראוליים כדי להפוך כיוון.

תפקוד שסתום ארבע-כיווני במעגל

כל שסתומי הכיוון מורכבים מגוף שסתום וסליל פנימי נע. לסליל יש לפחות שני מצבים - שני מצבי קצה. שני מצבים אלה מוצגים בסמל גרפי של שסתום כיווני על ידי שתי תיבות נפרדות. בכל תיבה, משתמשים בחצים כדי להראות כיצד המעברים הפנימיים של גוף השסתום מחוברים כאשר הסליל נמצא במיקום זה. כאשר מוצג שסתום כיווני עם סמל גרפי, שתי התיבות חייבות להיות מחוברות יחד. כאשר הוא ממוקם במעגל, תיבה אחת בדיוק חייבת להתחבר במעגל. על ידי כך, כאשר המפעיל נע בכיוון אחד, נתיב הזרימה הפנימי בשסתום הכיווני מוצג בבירור. כאשר התיבה השנייה של הסמל צריכה להראות את המפעיל נע בכיוון ההפוך, פשוט החליקו את התיבה השנייה בצורה חלקה לתוך המעגל.

שסתום כיווני עם שני מצבי סליל בלבד נקרא שסתום דו-מצבי.

איור 10-1 שסתום כיווני ארבע-כיווני. סמל שתי התיבות מייצג את שני מיקומי הסליל. רק תיבה אחת מתחברת למעגל בכל פעם; הזזת הסליל מחליפה איזו תיבה פעילה, מה שהופך את פעולת הצילינדר.

תפקוד מעגל שסתום ארבע-כיווני

כאשר הסליל נמצא בקצה אחד, מעבר הלחץ מתחבר למעבר עבודה A, ומעבר ההחזרה מתחבר למעבר עבודה B. כאשר הסליל עובר לקצה השני, מעבר הלחץ מתחבר למעבר עבודה B, ומעבר ההחזרה מתחבר למעבר עבודה A. החלפת מיקום הקצה של הסליל משנה את כיוון זרימת השמן לתוך הצילינדר ההידראולי, ומאריכה או מורידה את המוט.

שסתום כיווני תלת-כיווני

לשסתום תלת-כיווני יש שלושה מעברים פנימיים: מעבר לחץ, מעבר חזרה ומעבר עבודה אחד. תפקידו הוא: כאשר הסליל נמצא בקצה אחד, הוא מפעיל לחץ בפתח העבודה; כאשר הוא נמצא בקצה השני, הוא מוריד לחץ בפתח העבודה. במילים אחרות, שסתום התלת-כיווני מחליף לחץ ומוריד לחץ בפתח עבודה יחיד.

תפקוד מעגל שסתום תלת-כיווני

שסתום תלת-כיווני יכול לשלוט במפעילים בעלי פעולה יחידה, כגון צילינדרים עם בוכנה בעלת החזרת קפיץ. ביישומים כאלה, שסתום התלת-כיווני במצב אחד מזין שמן בלחץ לקצה החופשי של מוט הצילינדר; כאשר הוא מועבר למצב השני, הזרימה לתוך המפעיל נחסם, ומעבר המפעיל מתחבר למעבר ההחזרה בתוך גוף השסתום, כך שמוט הצילינדר יכול לסגת לאחור באמצעות כוח הכבידה או כוח הקפיץ.

כאשר שסתום התלת-כיווני נמצא במיקום המחבר את מעבר העבודה למעבר ההחזרה, גליל בוכנה המותקן אנכית יכול לסגת תחת כוח הכבידה, בעוד שמוט גליל החזרת קפיץ נסוג תחת כוח הקפיץ.

ביישומים הידראוליים תעשייתיים, שסתומים תלת-כיווניים נמצאים לעיתים רחוקות. אם נדרשת פונקציה תלת-כיוונית, בדרך כלל מוחלף שסתום ארבע-כיווני עם פתח עבודה אחד חסום.

איור 10-3 שסתום כיווני תלת-כיווני שולט על צילינדרים בעלי פעולה יחידה (עם החזרת קפיץ). מיקום אחד מפעיל לחץ; השני מחבר את הצילינדר למיכל ומאפשר לקפיץ למשוך את המוט.

שסתום כיווני דו-כיווני

לשסתום דו-כיווני יש רק שני מעברים - שני מעברים אלה ניתנים לחיבור או ניתוק באמצעות הסליל. כאשר הסליל נמצא בקצה אחד, מעבר הזרימה דרך השסתום פתוח; כאשר הוא נמצא בקצה השני, המעבר סגור.

תפקוד מעגל שסתום דו-כיווני

שסתום דו-כיווני משמש כמתג הפעלה/כיבוי במעגל. פונקציה זו משמשת במערכות רבות כמנעול בטיחות, או לבידוד וחיבור רכיבים שונים בתוך המערכת.

דירוגים ומפרטים של שסתומי כיווניות

שסתומי בקרה כיווניים המשמשים בהידראוליקה תעשייתית מגיעים במספר גדלים בסיסיים: 1/4", 3/8", 1/2", 3/4", ו-1-1/4 אינץ' (6.35 מ"מ, 9.5 מ"מ, 12.7 מ"מ, 19.05 מ"מ ו-31.75 מ"מ). ביישומים תעשייתיים הם מדורגים בדרך כלל לפי קיבולת הזרימה הממוצעת שלהם ולא לפי גודל הפתח. לדוגמה, קיבולות מדורגות הן: 3–10 gpm (11.37–37.9 lpm), 10–20 gpm (37.9–45.48 lpm), 40 gpm (75.8 lpm), 80 gpm (303.2 lpm) ו-160 gpm (379 lpm). בזרימה המדורגת, ירידת הלחץ מ-P ל-A או מ-B ל-T היא כ-40 psi (2.76 בר).

סליל שסתום כיווני

סליל שסתום ארבעת הכיוונים שראינו הוא ציר עם שלושה חלקים גליליים בקוטר גדול הנקראים סלילים. המרווח השווה בין שלושת הסלים מגדיר זאת כסליל תלת-כיווני. רוב שסתומי ההידראוליקה הכיוונית התעשייתיים הם סלילים דו-כיווניים או ארבע-כיווניים. שסתומי זרימה בעלי דירוג נמוך יותר משתמשים בדרך כלל בסלילים דו-כיווניים; סלילים ארבע-כיווניים נפוצים יותר בשסתומים בעלי דירוג זרימה גדול יותר.

איור 10-5 סלילים של שסתומים כיווניים. סלילים דו-צדדיים נפוצים בשסתומים קטנים יותר; סלילים ארבע-צדדיים בשסתומים גדולים יותר. מספר ומיקום הסלילים קובעים אילו מעברים מחוברים או חסומים בכל מיקום סליל.

שסתום ארבע-כיווני המותקן על לוחית משנה

לשסתום הכיווני בעל ארבעת הכיוונים שתואר לעיל יש ארבעה פתחים. בדרך כלל, פתחי הלחץ וההחזרה נמצאים בצד אחד של גוף השסתום, בעוד ששני פתחי העבודה נמצאים בצד הנגדי. סידור פתחים זה קרוב מאוד לסמל הגרפי של שסתום הכיווני. לשם נוחות ההתקנה, רוב שסתומי הכיוונים ההידראוליים התעשייתיים משתמשים בתכנון המותקן על לוחית משנה: גוף השסתום מחובר ללוחית משנה המתחברת לקווי המערכת. פתחי השסתום המותקנים על לוחית המשנה נמצאים על הצד התחתון של גוף השסתום.

מפעילי שסתומים כיווניים

ראינו שניתן למקם את סליל שסתום הכיוון בקצה אחד או בקצה השני. הזזת הסליל יכולה להיעשות באמצעים מכניים, חשמליים, הידראוליים, פנאומטיים או ידניים.

手动操作

שסתום כיווני המופעל על ידי כוח שרירים נקרא שסתום המופעל ידנית. ישנם סוגים רבים של התקני הפעלה ידניים, כולל מנופים, כפתורים ודוושות רגליים. מנגנון ההפעלה המכני הנפוץ ביותר הוא פין זיז שבחלקו העליון מצויד בגליל - כאשר הזיז על המפעיל נע מטה ופוגע בגליל, הסליל עובר למצב אחר. בהפעלה ידנית, רצף הפעולה והשליטה של שסתום הכיווני חייבים להיקבע על ידי כוונת המפעיל. אם שסתום הכיווני חייב לזוז במיקום מפעיל מסוים, ניתן להשתמש בשסתום כיווני המופעל מכנית.

בקרת טייס

ניתן להזיז את סלילי שסתומי הכיוון גם באמצעות לחץ פיילוט פנאומטי או הידראולי. עבור סלילים בעלי ארבע קרקעות, לחץ הפיילוט פועל על קרקעות הסליל בשני מיקומי הקצה. עבור סלילים בעלי שתי קרקעות, לחץ הפיילוט פועל על בוכנת פיילוט אחת.

בקרת סולנואיד (אלקטרומגנטית)

הדרך הנפוצה ביותר לשלוט על שסתום כיווני היא באמצעות סולנואיד (אלקטרומגנט). סולנואיד הוא מכשיר אלקטרומכני הממיר אנרגיה חשמלית לכוח מכני ליניארי ותנועה. המפעיל המתאים במערכת הידראולית הוא הצילינדר ההידראולי.

סולנואיד מסוג יבש

מבין שני סוגי הסולנואידים, הסוג היבש הוא העיצוב המוקדם יותר. הוא פועל על עקרונות אלקטרומגנטיים בסיסיים ומורכב מליבת ברזל בצורת "T", סליל ומסגרת בצורת "C". בגלל צורת ליבת הברזל והמסגרת המקיפה את הסליל, סוג זה נקרא לעיתים אלקטרומגנט "CT". ברזל הוא מוליך מגנטי טוב בעוד שלאוויר יש מוליכות מגנטית ירודה. עקרון הפעולה של הסולנואיד היבש הוא: השדה המגנטי מושך את ליבת הברזל לתוך הסליל, ומפחית את ההתנגדות המגנטית הגדולה הנגרמת על ידי פער האוויר במרכז הסליל. כאשר ליבת הברזל נעה פנימה, פער האוויר מצטמצם בהדרגה, כוח הדחיפה האלקטרומגנטי עולה, והכוח האלקטרומגנטי כאשר ליבת הברזל נמצאת בתוך הסליל גדול יותר מאשר כאשר היא בחוץ.

סולנואיד מסוג רטוב

סולנואיד מסוג רטוב הוא עיצוב חדש יחסית בתחום ההידראוליקה התעשייתית. בהשוואה לתכנוני מרווח אוויר, יתרונו של הסולנואיד הרטוב הוא פיזור חום טוב יותר וביטול אטמי מוט דחיפה שעלולים לגרום לדליפות בסולנואידים מסוג יבש, מה שמשפר את האמינות.

מבנה סולנואיד מסוג רטוב

סולנואיד מסוג רטוב מורכב מסליל, מסגרת מלבנית, מוט דחיפה, ארמטורה (ליבת ברזל) וצינור מנחה. הסליל סגור בתוך המסגרת המלבנית; שניהם אטומים יחד בפלסטיק. למכלול זה יש חור עובר דרך מרכז הסליל ושני צידי המסגרת - חור זה מתאים מעל צינור המנחה. צינור המנחה מכיל את הארמטורה. צינור המנחה מחובר בלחץ לגוף שסתום הכיוון; חלל פנימי צינור המנחה מתחבר למעבר החזרה של שסתום הכיוון, כך שהארמטורה שקועה בשמן המערכת - זו הסיבה שהוא נקרא "ארמטורה רטובה".

כיצד פועל הסולנואיד הרטוב

כאשר זרם זורם דרך הסליל, הסליל מייצר שדה מגנטי, המחוזק על ידי המסלול המגנטי של הברזל המלבני סביב הסליל והארמטורה במרכז הסליל. כאשר זרם מופעל על סליל הארמטורה הרטוב, הארמטורה הנעה נמצאת חלקית מחוץ לסליל. השדה המגנטי המופק מהזרם מושך את הארמטורה פנימה, פוגע במוט הדחיפה המחובר מכנית לסליל השסתום, ומזיז את שסתום הכיוון. כאשר הסליל זז, הארמטורה נכנסת במלואו לסליל, ומרכזת את השדה המגנטי של הסליל לחלוטין במסלול המגנטי של הברזל.

ברזל הוא מוליך מגנטי טוב, בעוד שהשמן המקיף את הארמטורה ומוט הדחיפה בעל מוליכות מגנטית ירודה מאוד. עקרון הפעולה של סולנואיד מסוג רטוב הוא: השדה המגנטי מושך את הארמטורה פנימה כדי לצמצם את פער האוויר הגדול במרכז הסליל. ככל שהארמטורה נעה פנימה, הפער מצטמצם בהדרגה, כוח הדחיפה האלקטרומגנטי עולה, וכאשר הארמטורה נמצאת לחלוטין בתוך הסליל, הכוח האלקטרומגנטי גדול יותר מאשר מחוצה לו.

איור 10-9 סולנואיד מסוג רטוב. הארמטורה שקוע בשמן הידראולי (ומכאן "רטוב"), מה שמבטל את האטם הדינמי של מוט הדחיפה. פיזור חום ואמינות טובים יותר בהשוואה לסולנואיד מסוג יבש.

זמזום מזגן

בארצות הברית, הספק בקרה תעשייתי הוא בדרך כלל AC. זרם AC בארה"ב מתחלף מאפס לשיא חיובי, חזרה דרך אפס לשיא שלילי, וחזרה לאפס ב-60 מחזורים לשנייה (60 הרץ). כאשר הזרם נמצא בשיא חיובי או שלילי, השדה המגנטי והכוח האלקטרומגנטי הם מקסימליים. כאשר הזרם יורד דרך אפס, גם השדה המגנטי והכוח יורדים, מה שגורם לעומס הסולנואיד המוטה על ידי הקפיץ (בדרך כלל סליל השסתום המוטה על ידי הקפיץ) לדחוף את ליבת הברזל או את הארמטורה החוצה. כאשר השדה והכוח נבנים שוב, הם מושכים את ליבת הברזל או את הארמטורה בחזרה פנימה. תנועה זו יוצרת את צליל הזמזום, הזמזום או הרטט של הסולנואיד - זמזום AC.

טבעת קצר חשמלי (סליל הצללה)

כדי להפחית את זמזום זרם החילופין ולהגדיל את כוח הדחיפה של הסולנואיד, נעשה שימוש בטבעת קצר חשמלי (סליל הצללה) לפיצוי. בסולנואידים מסוג יבש, טבעת הקצר חשמלי היא טבעת נחושת המחוברת למסגרת בצורת C. בסולנואידים מסוג רטוב, זוהי טבעת נחושת בקצה מוט הדחיפה של צינור ההנחיה. כאשר הסולנואיד פועל, הטבעת משרה זרם שמפגר אחרי זרם העבודה המופעל. בדרך זו, כאשר השדה המגנטי הראשי של הסליל נמצא במינימום שלו, השדה המגנטי של טבעת הקצר חשמלי מספיק כדי להחזיק את ליבת הברזל או את הארמטורה, ובכך להפחית משמעותית את זמזום זרם החילופין.

זרמי מערבולת

שדה מגנטי AC פועם יכול ליצור זרמים תועים קטנים בסולנואיד - אלו הם זרמי מערבולת, הזורמים במעגלים קטנים בנתיב המגנטי של הברזל, צורכים חשמל ומייצרים חום, ומפחיתים את כוח הדחיפה של פלט הסולנואיד. כדי למזער את השפעות זרמי המערבולת, משתמשים בשכבות מתכת דקות לייצור מסגרת C וליבת הברזל של הסולנואיד היבש. שכבות המתכת מבודדות זו מזו על ידי שכבות תחמוצת. השדה המגנטי עובר בקלות לאורך הנתיב המגנטי הרגיל של הלמינציות, אך בשל שכבות הבידוד, זרמי מערבולת אינם יכולים לזרום בין הלמינציות. מכיוון שמסגרת ה-C מיוצרת על ידי ערימת למינציות מבודדות יחד, היא נקראת בדרך כלל "ערימת מסגרת C". עבור סולנואידים מסוג רטוב, מזעור זרמי מערבולת משתמש בשכבות ברזל מבודדות עבור המסגרת המלבנית, אך עבור הארמטורה זה אינו ישים מכיוון שסולנואידים מסוג רטוב חזקים יותר מאשר יבש. מנקודת מבט של עמידות, ייצור הארמטורה מלמינציות אינו אפשרי - בסולנואידים מסוג רטוב, הארמטורה היא חתיכה מוצקה.

זרם כניסה סולנואידי

חשמל AC בסלילי סולנואיד מייצר כוח אלקטרומגנטי שמזיז את סליל שסתום הכיוון, אך גם מייצר חום, ובסופו של דבר שורף את סליל הסולנואיד. ככל שזרם גדול יותר זורם דרך סליל הסולנואיד, כך גדלה הנטייה של סליל הסולנואיד להיכשל. אם הסולנואיד לא זז כדי לסגור את פער האוויר, הסליל יישא זרם גבוה מאוד, מה שיגרום להתחממות יתר. שלא כמו מערכות הידראוליות שבהן הזרימה קבועה יחסית, במערכות חשמל רגילות הזרם קשור להתנגדות - התנגדות גבוהה יותר פירושה זרם נמוך יותר, פחות חום. מכיוון שחום משפיע באופן משמעותי על חיי השירות של הסולנואיד, המטרה היא להשתמש בכמה שפחות זרם תוך ייצור כוח הזזה מספיק. זה מושג על ידי תכנון סלילים עם עכבת AC (התנגדות תגובתית) מספקת.

לעכבה שני מרכיבים: ההתנגדות הטהורה של חומר המוליך לזרימת אלקטרונים - לנחושת יש התנגדות פחותה מאלומיניום - ואפקט העכבה הנוצרת על ידי השדה האלקטרומגנטי סביב סלילי הסליל. שדה מגנטי זה מעכב או מגביל את הזרם הנכנס לסליל. ככל שהשדה חזק יותר, כך זרם בסלילי סליל הסולנואיד קטן יותר.

כאשר הסולנואיד מופעל לראשונה, ליבת הברזל הנעה או הארמטורה נמצאת חלקית מחוץ לסליל, ויוצרת פער אוויר גדול במרכז הסליל. השדה המגנטי אינו חזק במיוחד במיקום זה; ההתנגדות לזרם נובעת בעיקר מהתנגדות מוליך טהורה, מה שיוצר זרם כניסה גדול בסלילי הסליל. כאשר ליבת הברזל או הארמטורה נעים פנימה, פער האוויר נסגר בהדרגה, הזרם יורד. כאשר ליבת הברזל או הארמטורה יושבים במלואם, העכבה היא מקסימלית וזרם AC הוא מינימלי.

זרם הכניסה השיא כאשר הסולנואיד מופעל לראשונה הוא פי כמה מזרם ההחזקה כאשר הוא מחובר במלואו. אם הפרעה מכנית מונעת מליבת הברזל או מהארמטורה להתמקם במלואם, זרם גדול מאוד נכנס לסליל - ויוצר חום עצום. עבור סולנואידים יבשים שאינם סגורים, זה ממיס את רכיבי הפלסטיק בקצה הסליל; עבור סולנואידים יבשים או רטובים סגורים, זה גורם לאיטום הפלסטיק לבעבע. בשני הסוגים בידוד החוט נשרף מיד, ובתוך דקה או שתיים הסליל מקצר - זה מה שקורה כאשר סליל תקוע מונע את תזוזת הסולנואיד.

איור 10-10 זרם התנעה של סולנואיד AC לעומת זרם החזקה. בעת ההפעלה הראשונה, מרווח האוויר הגדול מאפשר זרם התנעה גבוה (החזקה מספר פעמים). לאחר התקנתו המלאה, העכבה עולה והזרם יורד. סליל תקוע (המרווח לעולם אינו נסגר) פירושו זרם התנעה מתמשך - שחיקה מובטחת של הסליל.

סולנואידים בעלי דירוג רציף

סולנואיד בעל דירוג רציף יכול להישאר מופעל למשך זמן רב מבלי להתחמם יתר על המידה. יכולת פיזור החום של הסולנואיד מספיקה כדי לפזר את רוב החום שנוצר על ידי זרם ההחזקה הקטן יותר דרך הסליל. רוב שסתומי ההידראוליקה הכיווניים התעשייתיים משתמשים בסולנואידים בעלי דירוג רציף.

מגבלות סולנואיד

לשסתומי כיווניות הנשלטים על ידי סולנואיד יש כמה מגבלות. ראשית, לא ניתן להשתמש בסולנואידים קונבנציונליים בסביבות רטובות או נפיצות. שנית, כאשר חיי השירות של שסתום הכיוון צריכים להיות ארוכים במיוחד, בדרך כלל נמנעים גם משימוש בסולנואידים הנשלטים חשמלית. אולי החיסרון הגדול ביותר של סולנואידים הוא שכוח ההסטה שהם יכולים לייצר מוגבל. למעשה, עבור שסתומי כיווניות גדולים יותר, כוח ההסטה הנדרש גדול למדי. עבור שסתומים גדולים יותר (1/4 אינץ' או 3/8 אינץ' / 6.35 מ"מ או 9.5 מ"מ), שסתום כיווני סולנואידי מותקן בדרך כלל על גבי, ובמהלך ההסטה, זרימה מהשסתום הקטן מוזרמת לצד המתאים של סליל השסתום הגדול. סוג זה נקרא שסתום כיווני פיילוט המופעל על ידי סולנואיד.

כשל בשסתום

חום הוא הגורם העיקרי לכשל סולנואיד של שסתום כיווני פעולה ישירה, בדרך כלל נגרם כתוצאה מחסימת סולנואיד, טמפרטורת סביבה גבוהה או מתח נמוך (כוח הזזה לא מספיק כדי לאבטח לחלוטין את ליבת הברזל או את הארמטורה).

חסימה בסולנואיד

סליל תקוע מונע מליבת הברזל או מהארמטורה להתיישב במלואם, מה שגורם לסליל הסולנואיד למשוך זרם כניסה גבוה מאוד ברציפות. הסולנואיד אינו יכול לפזר את החום העצום שנוצר, ובסופו של דבר לשרוף את הסליל. למרות שזרימה מוגזמת דרך השסתום עלולה לחסום את הסולנואיד, הפרעה מכנית לתנועת הסליל היא הסיבה הנפוצה ביותר לחסימה. מזהמים (כגון בוצה, פתיתי מתכת, חול ליבה וסרט PTFE) יכולים לחסום את הסליל, או שהסליל יכול להיתקע על ידי קוצים בין הסליל לגוף השסתום. חלקיקי חמצון שמן ולכה שמן יכולים להצטבר על הסליל, מה שיגרום לרווח בין הסליל לגוף השסתום להיעלם - ניקוי עם ממס יכול להסיר לכה שמן. לוחית הרכבה מעוותת יכולה גם לגרום לחסימת סולנואיד - כאשר ברגי ההרכבה מהודקים, גוף השסתום עלול להתכופף מעט, להגביל את תנועת הסליל ולשרוף את הסליל. דרישות השטיחות של לוחית ההרכבה הן בדרך כלל בטווח של 0.0003–0.0005 אינץ' (0.00762–0.0127 מ"מ).

עבור סולנואידים מסוג יבש, כאשר ליבת הברזל של הסולנואיד נמשכת לתוך הסליל, מתרחשת שחיקה בין ליבת הברזל למסגרת C. בעת פירוק סולנואיד מסוג זה, מומלץ להתקין מחדש את ליבת הברזל במיקומה המקורי. אחרת החלק השחוק לא יוכל להתיישר כראוי, ליבת הברזל לא תוכל להתיישב במלואה, והסולנואיד משמיע רעש זמזום - המעיד על כמעט כשל.

לעיתים, שני הסולנואידים בשסתום כיווני בעל שני סולנואידים עשויים להיות מופעלים בו זמנית - משמעות הדבר היא שליבת ברזל אחת או ארמטורה אחת יושבת במלואם בעוד שהשנייה תקוע. התוצאה היא שריפה של סליל סולנואיד אחד. הפעלה בו זמנית של שני הסולנואידים נגרמת בדרך כלל כתוצאה מכשל בהתקן בקרה חשמלי או שגיאת חיווט.

טמפרטורת סביבה גבוהה

כאשר זרם מושך פנימה את ליבת הברזל או את הארמטורה של הסולנואיד, החום שנוצר חייב להתפזר מהסליל. אם טמפרטורת האוויר שמסביב גבוהה מדי, פיזור החום קשה והסליל עלול להישרף. אם האוורור לקוי או שהציוד פועל ליד מקורות חום, זה יכול לקרות.

מתח נמוך

עבור סולנואיד של 110 וולט ו-60 הרץ, כאשר מתח הקו יורד לכ-100 וולט, הכוח האלקטרומגנטי המופק אינו מספיק כדי לאבטח לחלוטין את ליבת הברזל או את הארמטורה בתוך פרק הזמן המתוכנן. עקב זמן זרם ההתנעה המורחב, הסולנואיד פועל בטמפרטורה גבוהה יותר, ובסופו של דבר גורם לכשל. לעיתים סימנים מוקדמים לשחיקה של הסליל הם זמזום או רעש רטט. בעיות מתח נמוך מתרחשות לעתים קרובות בסביבות רבות של תחנות חשמל. אם יש חשד למתח נמוך, חברת החשמל יכולה להתקין מד רישום 24 שעות כדי לבדוק את התנאים בפועל.

שסתום כיווני תלת-מצבי

בדוגמאות קודמות, נדון שסתום כיווני בעל שני מצבים (עם שני מצבי קצה). ביישומים מסוימים נעשה שימוש בשסתום כיווני בעל שלושה מצבים. המיקום המרכזי השלישי הוא מצב ניטרלי או מעבר. סמל גרפי של שסתום כיווני בעל שלושה מצבים כולל שלוש משבצות - המשבצת המרכזית מייצגת את המיקום המרכזי ואת החיבורים הפנימיים כאשר הסליל נמצא במרכז.

שסתום תלת-מצבי במרכז קפיץ

הסוג הנפוץ ביותר של שסתום כיווני בעל שלושה מצבים הוא הסוג בעל קפיץ מרכזי. לשסתום זה קפיצים בשני קצותיו כדי להחזיק את הסליל במצב המרכזי כאשר אף אחד מהסולנואידים אינו מופעל.

איור 10-12 שסתום כיווני בעל שלושה מצבים, מרוכז בקפיץ. קפיצים מחזיקים את הסליל במרכז כאשר שני הסולנואידים אינם פעילים. המיקום המרכזי קובע מה קורה לעומס הצילינדר כאשר המכונה נעצרת.

תנאי המרכז

קיימות ארבע תצורות נפוצות של מיקום מרכז. בחירת מצב המרכז קובעת את התנהגות המעגל כאשר שסתום הכיוון נמצא במרכז (אף אחד מהסולנואידים אינו מופעל):

איור 10-13 ארבע תצורות של מיקום מרכזי. הבחירה תלויה בדרישות המעגל: האם הצילינדר צריך להישאר במקומו, לצוף בחופשיות, או האם המשאבה צריכה לפרוק את נפח הפעולה כאשר השסתום ממורכז.

שסתומים כיווניים פרופורציונליים

שסתומי כיווניות סטנדרטיים עוברים בין מצבים נפרדים (פתוח/סגור). שסתומי כיווניות פרופורציונליים מאפשרים למקם את הסליל בכל מקום בין פתיחה מלאה לסגירה מלאה, עם קשר חלק בין אות הקלט החשמלי למיקום הסליל והזרימה. זה מאפשר שליטה משתנה רציפה הן בכיוון והן בקצב הזרימה עם שסתום אחד.

שסתומי כיוון המופעלים על ידי טייס

עבור יישומים בעלי זרימה גדולה שבהם כוח הסולנואיד אינו מספיק כדי להזיז ישירות את הסליל הראשי, נעשה שימוש בתכנון המופעל על ידי פיילוט. שסתום פיילוט קטן המופעל על ידי סולנואיד מכוון את לחץ הפיילוט להזזת הסליל הראשי הגדול יותר. תכנון דו-שלבי זה מאפשר לסולנואידים קטנים לשלוט בקצבי זרימה גדולים מאוד - שסתום הפיילוט מבצע את המיתוג, ולחץ הפיילוט מבצע את עבודת הזזת הסליל הראשי.

איור 10-14 שסתום כיווני המופעל על ידי פיילוט. שסתום הפיילוט הקטן המופעל על ידי סולנואיד (למעלה) מנתב את לחץ הפיילוט כדי להזיז את הסליל הראשי הגדול (למטה). עיצוב זה מאפשר לסולנואידים קטנים לשלוט בשסתומים ראשיים בעלי זרימה גבוהה.

שסתומי סולנואיד כיווניים פרופורציונליים

בהתקן הבקרה, אות היפוך ואות קלט נכנסים בו זמנית. אות ה"שגיאה" המופק בין השניים מניע את התקן הבקרה להפעיל באופן פרופורציונלי סולנואיד אחד "A" או "B". כאשר הסולנואיד מופעל, הוא ממיר את האות לכוח. הסולנואיד הפרופורציונלי הממוקם במרכז גוף השסתום, יחד עם קפיץ ההטיה של שסתום הפיילוט, ממירים את לחץ הבקרה למצב סליל פיילוט. חיישן המיקום LVDT מתחבר ישירות לסליל השסתום הראשי, ותפקידו לספק משוב אוטומטי לסליל הפיילוט.

שסתום כיווני הפרשי לחץ (בקרת מנוע מומנט)

שסתום כיווני הפרשי לחץ הוא מסוג תלת-שלבי - כאשר שסתום הפיילוט הוא השלב הראשון, והשסתום הראשי הוא השלב השני. שסתום הפיילוט מורכב יותר, וכולל מנוע מומנט, קפיצים, צינורות סילון וסליל מתכוונן עם מכסי קצה פיילוט ו-LVDT. השלב השני (השסתום הראשי) דומה לשסתומי כיווני אחרים המופעלים על ידי פיילוט.

בניית שסתום פיילוט בשלב הראשון

שסתום הפיילוט מורכב ממנוע מומנט, צינור סילון, סליל עם קפיצים שמאליים וימניים ורכיבים דומים. צינור הסילון מכוון את לחץ הבקרה לשני קצוות הסליל. שסתום הפיילוט דומה בסוגו לשסתום כיווני בעל מרכזי קפיץ.

שסתום ראשי בשלב השני

השלב השני (השסתום הראשי) דומה לסוגים אחרים של שסתומים כיווניים פרופורציונליים ולא יחזור על עצמו כאן.

פעולת שסתום הפיילוט

זרם אות הבקרה החשמלי זורם דרך סלילי מנוע המומנט בין שני הסולנואידים. ההשוואה וההפרש בין האותות החשמליים קובעים את כיוון השדה המגנטי של מומנט המנוע. בהתאם לסולנואיד בעל האות החזק יותר, צינור הסילון מכוון להפעלת לחץ בקצה אחד של סליל הפיילוט. במקביל, הפלט של התקן הבקרה מגביר את הזרימה לצד אחד של סליל שסתום הכיוון עד לערך הפרופורציונלי, ומגדיל בהדרגה את הזרימה לצד זה עד להגעה לערך הפרופורציונלי.

מושגים מרכזיים - פרק 10