בעת העברת אנרגיה דרך נוזל, יש לקבוע את הכיוון, ולחזק שליטה מלאה ורציפה. ללא שליטה מלאה, האנרגיה היא חסרת תועלת או, במשהו גרוע יותר, ייתכן שהמכונה תיפגע. אחד היתרונות העיקריים של הטכנולוגיה ההידראולית הוא היכולת להשתמש בשסתומים הידראוליים לשליטה יחסית קלה על האנרגיה.

שסתומי בקרה הידראוליים

שסתום בקרה הידראולי הוא רכיב מכני המורכב מגוף שסתום עם מסלולים פנימיים שיכולים לחבר או לחסום את זרימת הנוזל, וחלקים פנימיים נעים. המסלולים בגוף משמשים להובלת השמן. פעולת החלקים הפנימיים הנעים מפעילה את הבקרה על הלחץ המרבי, כיוון הזרימה והמהירות של הזרימה במערכת.

בקרת הלחץ במערכת

אנרגיה הידראולית יכולה להיות מופעלת על צילינדר הידראולי. כאשר התוצאה היא עבודה מוצלחת, לאחר שהצילינדר מתנפח לחלוטין, העבודה הסתיימה. משאבת הנפח החיובי תמשיך לספוג עוד אנרגיה ממונע הראשי שלה. זה יוצר לחץ גבוה יותר בשמן. (הערה: ההתנגדות המינימלית במערכת קובעת את הלחץ ההידראולי המופעל.) ככל שהצילינדר מתנפח יותר, עמידתו הפיזית של המערכת הופכת להתנגדות המינימלית.

המשאבה תוסיף עוד לחץ כדי להתגבר על ההתנגדות הזו. אנשים משתמשים בשסתומי בקרת לחץ כדי לשמור על הלחץ במערכת בתוך טווח בטוח.

תא שליטה בלחץ

החלקים הפנימיים המזדזגים של שסתום בקרת הלחץ פועלים בהתאם ללחץ. כאשר הלחץ במערכת מגיע לערך קבוע מסוים, החלקים הפנימיים המזדזגים מחברים או חוסמים אחת מה passages בגוף השסתום, מה שגורם לשמן לזרום או מונע ממנו לזרום לתוך אותו passage.

מבנה שסתום בקרת הלחץ

שסתום בקרת לחץ מורכב מגוף שסתום עם מסלולים ראשוני וثانוני וחלקים נעים פנימיים (הס pool). החיבורים החיצוניים למסלולים נקראים פתח ראשוני ופתח שני.

איך עובד שסתום בקרת לחץ

החלק הנע הפנימי של שסתום בקרת לחץ הוא בדרך כלל מכשיר מסוג ס pool. כאשר הס pool נמצא באחד מקצותיו, המסלול הפנימי מחובר והזרימה יכולה לעבור דרכו. כאשר הוא נמצא בקצה השני, המסלול הפנימי חסום והזרימה דרך השסתום נעצרת.

בשסתום בקרת לחץ, הס pool מושפע על ידי קפיץ לעבר אחד הקצוות. במיקום זה, הנקרא מיקום סגירה רגיל, המסלול הפנימי חסום ונתיב הזרימה דרך השסתום סגור. סוג זה נקרא שסתום בקרת לחץ סגור באופן רגיל.

שסתום בקרת הלחץ מזהה את הלחץ בתחתית הסpool. מעבר זה בתחתית מחובר ליציאה הראשית. כאשר לחץ המערכת עולה מעל כוח הקפיץ, הסpool נע כדי לחבר את המעבר הפנימי, מה שמאפשר זרימה דרך השסתום.

(הלחץ ההידראולי המשמש לבקרת תנועת הסpool נקרא לחץ פיקוד. השימוש בלחץ פיקוד לבקרת שסתום נקרא בקרת פיקוד והוא השיטה הנפוצה ביותר לבקרת כל סוגי שסתומי הידראוליקה.)

אם יציאה ראשית מסוג זה של שסתום בקרת לחץ מחוברת לצד לחץ המערכת, וכשמתח הלחץ שהמשאבה מייצרת גבוה מדי, הזרימה מהמשאבה יכולה להתפצל דרך שסתום זה אל מיכל השמן — סוג זה של שסתום בקרת לחץ סגור באופן נורמלי נקרא שסתום ריסון.

איור 7-2: שסתום בקרת לחץ סגור באופן נורמלי (פעולת שסתום ריסון). הקפיץ מחזיק את הסpool סגור עד שלחץ המערכת עולה על הגדרת הקפיץ, ואז הסpool מתחלף ופותח מסלול למיכל.

איור 7-3 מעגל הידראולי פשוט עם בקרת לחץ (שסתום ניקוז). כאשר הצילינדר מגיע לסוף המהלך, שסתום הניקוז נפתח ומעביר את זרימת המשאבה חזרה למיכל, ובכך מגביל את הלחץ המקסימלי של המערכת.

בקרת כיוון של מפעילים

לאחר שהצילינדר ההידראולי מתרחב לחלוטין, עליו להתכווץ מחדש כדי לאפשר ביצוע עבודה נוספת. מסיבה זו, צילינדרים שצריכים לנוע בשני כיוונים משתמשים בדרך כלל בצילינדרים הידראוליים עם שני פתחי חיבור — צילינדרים דו-פעיליים. כיוון הזרימה חייב להשתנות בו זמנית.

צילינדר הידראולי דו-פעילי

לצילינדר הידראולי דו-פעילי יש פתח אחד בכל קצה של החבית, מה שמאפשר לשמן להיכנס ולצאת, כך שהפיסטון יכול לנוע בשני הכיוונים (דו-פעילי). כדי להבחין בין שני הפתחים של צילינדר דו-פעילי, אנו מסמנים את אחד הפתחים באות "A" ואת השני באות "B".

וָלֶב כְּבִיּוּנִית

החלקים הפנימיים המזדזגים של שסתום בקרת כיוון מטילים את התפקיד של חיבור או חסימה של המעברים הפנימיים בגוף השסתום, ובכך מבקרים את כיוון זרימת השמן.

מבנה שסתום בקרת כיוון

שסתום בקרת כיוון טיפוסי כולל ארבעה מעברים פנימיים בגוף השסתום וגליל מחליק שיכול לחבר או לחסום מעברים אלו.

איך עובד שסתום בקרת כיוון

כאשר הגליל נמצא באחד מקצותיו, מעבר הלחץ מחובר למעבר העבודה A, ומעבר ההחזרה מחובר למעבר העבודה B. כאשר הגליל עובר למצב הקצה השני, מעבר הלחץ מחובר למעבר העבודה A, ומעבר ההחזרה מחובר למעבר העבודה B. החלפת הכיוון של הגליל משנה את כיוון זרימת השמן לתוך הצילינדר ההידראולי.

כאשר מוט הצילינדר מתנפח ומשתלט לחלוטין כנדרש, העבודה הושלמה. כאשר הסpool עובר למצב קצה אחר, שמן זורם לצד השני של הצילינדר — ומוט הצילינדר נסוג.

איור 7-4: שסתום בקרת כיוון במעגל צילינדר דו-פעולי. הזזת הסpool משנה את כיוון זרימת השמן, מה שמחליף את כיוון תנועת הצילינדר.

בקרת מהירות של מפעילים

ברוב היישומים, יש לשלוט במהירות העבודה של המפעיל, ולעיתים קרובות בשליטה מדויקת ביותר. כפי שמתואר לעיל, מהירות המפעילים (צילינדרים, מנועים הידראוליים) קשורה באופן ישיר לקצב הזרימה של השמן — מהירות המפעיל נקבעת על-ידי קצב הזרימה הנכנס.

מכיוון שקיבולת המשאבה יכולה להיות קבועה, ניתן לבחור את קצב הזרימה של המשאבה בהתאם למהירות המפעיל הנדרשת. זה אפשרי רק במערכות הכוללות מפעיל אחד בלבד.

במערכת הידראולית יש בדרך כלל יותר ממתנע אחד. אם המערכת דורשת שכל צילינדר הידראולי יפעל באופן עצמאי, קצב זרימת המניע צריך להיבחר על סמך הצילינדר ההידראולי הגדול ביותר שדורש את המהירות הגבוהה ביותר. כלומר, המתנעים הקטנים יותר ינועו מהר יותר, מה שיכול שלא להיות רצוי. כדי לצמצם את הזרימה הנכנסת למתנעים אלו או לכל מתנע אחר, יש להשתמש בשסתום בקרת זרימה.

תא שסתום שליטה בשטף

כשמשתמשים בשסתום בקרת זרימה, תמיד אפשר לצמצם את הזרימה מהמניע אל המתנע.

מבנה שסתום בקרת זרימה

שסתום בקרת זרימה טיפוסי מורכב מגוף השסתום וחלק נע. בדוגמה שלנו, החלק הנע הוא מחט התאמה עם קצה מחודד. מאחר שהמחט לא נעה באמת במהלך הפעולה (היא מוגדרת מראש למיקום מסוים), הוגן יותר לכנות את החלקים הנעים של שסתום בקרת הזרימה כ"ניתנים להתאמה" ולא כ"נעים".

איך פועל שסתום בקרת זרימה

במערכת הידראולית, שסתום בקרת הזרימה עובד תמיד יחד עם שסתום בקרת הלחץ (השחרור). שסתום בקרת הזרימה מהווה התנגדות. הוא גורם לממיס הידראולי לייצר לחץ גבוה יותר. לחץ זה עלול לגרום לחלק מהזרימה מהממיס לפתוח את שסתום השחרור, ובכך להפחית את הזרימה דרך שסתום בקרת הזרימה ולהגיעה למפעילה.

איור 7-5: מעגל בקרת זרימה. שסתום המחט מצר את הזרימה לגליל. הזרימה העודפת מהממיס עוברת דרך שסתום השחרור אל המיכל. גודל פתח שסתום המחט קובע את מהירות הגליל.

מערכת הידראולית פשוטה

כל הרכיבים שהוצגו לעיל יכולים ליצור מערכת הידראולית פשוטה. מכיוון שהאנרגיה ההידראולית במערכת זו ניתנת לבקרה, המערכת יכולה לבצע עבודה מועילה.

מערכות הידראוליות בשימוש נרחב בתחומים רבים, מהאוסטראוטיקה, מטוסים וציוד צבאי ועד לציוד תעשייתי, מכונות הליכה וציוד פלדה. עקרונות הפעולה של מערכות הידראוליות בכל היישומים הללו זהים לאלו שמתוארים לעיל. ההבדל היחיד בין "סוגי" מערכות הידראוליות שונים הוא ברכיבים המשמשים בהם.

בפרקים הבאים נדון בפירוט בריכבים השונים של מערכות הידראוליות תעשייתיות. כדי להסביר כיצד להשתמש ברכיבים אלו, נออกแบบ גם כמה מעגלים הידראוליים בסיסיים.

סימנים גרפיים הידראוליים

בהסבר הקודם על רכיבי הידראוליקה והמערכות הבסיסיות שלהן, כל התוכן הוצג בצורה גרפית — באמצעות חתכים רוחביים שממחישים חזותית את הפעולות הפנימיות של הרכיבים. שיטה זו מועילה להסבר של בעיות, אך היא לא פרקטית לצורכי עבודה יומיומיים.

כמו שאר התחומים הטכניים, גם הידראוליקה משתמשת בסימנים גרפיים לייצוג רכיבים ומערכות. כל הרכיבים ההידראוליים והמערכות הפשוטות שנידונו קודם לכן ניתנים לייצוג באמצעות סימנים גרפיים הידראוליים ופנאומטיים תקניים של ANSI Y32.10 או ISO 1219.

בנוסף לרכיבים שנידונו כבר קודם לכן, הרכיבים המרכיבים מערכת הידראולית כוללים גם מנועים חשמליים, מסנני הידראוליקה וכו'. מערכות הידראוליות נוהגות להיות מונעות על ידי מנועים חשמליים. כמו כן, כדי לשמור על רמת ניקיון סבירה, יש להשתמש במערכות הידראוליות במסנני הידראוליקה להגנה על השמן מפני זיהום.

איור 7-7: סימנים גרפיים הידראוליים תקניים (ANSI Y32.10 / ISO 1219). סימנים אלו משמשים בכל תרשימי המעגלים ההידראוליים במקום ציורים חתכיים.

איור 7-8: מעגל הידראולי פשוט מלא, מוצג באמצעות סימנים גרפיים תקניים. זהו האופן שבו מעגלי הידראוליקה מוצגים בעריכת הנדסת מערכות.