פרק 9: שסתומי בקרת זרימה

החריר

חריר הוא פתח יחסית קטן במסלול זרימה של נוזל. הזרימה דרך החריר מושפעת ממספר גורמים, שלושת הגורמים העיקריים הם:

1. גודל פתח
2. הפרש הלחצים על שני צידי החריר
3. טמפרטורת נוזל

השפעת גודל החריר על הזרימה

גודל החריר קובע את הזרימה דרכו. דוגמה יומיומית נפוצה היא פיה של צינור גינה — אם פתח הפיה קטן, המים יוצאים כטיפה עדינה או כתערובת סprüי. אם הפתח גדול יותר, הזרימה הופכת לזרם חזק. בשני המקרים, הפיה של הצינור מגבילה את כיוון זרימת המים — הזרימה דרך החריר נקבעת על ידי גודל הפתח.

איור 9-1: שסתום בקרת זרימה במעגל. השסתום מצמצם את הזרימה אל הצילינדר. הזרימה העודפת מהמשאבה עוברת דרך שסתום ההגנה. הזרימה המצומצמת הופכת לאנרגיה פוטנציאלית (מהירות) בחריר.

פתח קבוע

לחריר קבוע יש גודל פתח שאינו ניתן להתאמה. הדוגמאות הנפוצות ביותר בטכנולוגיה הידראולית הן החור המנוקב בפקק צינור או בשסתום ניגוד, או שסתום בקרת זרימה שהוגדר מראש במפעל.

חריר משתנה

לרוב נדרשים חרירים משתנים במקום חרירים קבועים, מכיוון שהם מתאימים יותר למגוון מצבים. שסתומי שער, שסתומי כדור ושסתומי מחט הם דוגמאות לחרירים משתנים.

שסתום שערים

לשסתום שער יש מסלול זרימה ישר דרךו. גודל החריר משתנה על ידי סיבוב הידית כדי לפתוח או לסגור את השער במסלול הזרימה. למרות ששסתומי שער אינם מעוצבים לבקרת זרימה, במערכות מדידת זרימה גסות מסוימות ניתן להשתמש בהם ככלי הגבלת זרימה.

תא שסתום

מסלולי הזרימה של שסתומי כדור אינם ישרים — הם מבצעים פינה של 90°. החריר הוא המושב והפלגון החרוטי או פלגון הכדור במסלול הסיבוב. גודל פתח החריר מתכוונן על ידי שינוי מיקומו של פלגון הכדור.

וונטל וlv

הזרימה דרך שסתומי מחט גם מבצעת פינה של 90°, ולאחר מכן עוברת דרך פתח. פתח זה מורכב מהפער בין מוט השסתום בעל הקצה המוצק (המחודד) לבין יושבת השסתום. גודל הפתח משתנה על ידי התאמת מיקום הפנים החרוטית ביחס ליושבת השסתום. מכיוון שהחוטים המשמשים להתאמה על מוט השסתום הם בעלי דקיקה רבה וקצות המוט חדים, גודל הפתח משתנה באופן הדרגתי. במערכות הידראוליות, שסתום המחט הוא פתח המשתנה הנפוץ ביותר.

איור 9-2: סוגי פתחים משתנים. שסתום המחט (בתחתית) הוא הנפוץ ביותר בהידראוליקה — קצותו החרוטיים והחוטים הדקים שלו מאפשרים התאמות זרימה מדויקות ומהדרגתיות במיוחד.

יישום של שסתום מחט במעגל

המעגל לדוגמה משתמש במשאבה דיספלסמנט חיובית של 5 גלון לדקה (18.95 ליטר לדקה), שסתום ניקוז, שסתום כיווני, חתך משתנה (שסתום מחט) וצילינדר הידראולי עם שטח פיסטון של 3 אינץ' ריבועי (19.35 סמ"ר). אם שסתום הניקוז מכוון ל-500 PSI (34.48 בר) והמשאבה מספקת 5 גלון לדקה:

כאשר שסתום המחט מגביל את הזרימה ל-2 גלון לדקה (7.58 ליטר לדקה), מהירות המוט = 2 × 19.25 ÷ 3 = 13 רגל/דקה (3.96 מטר/דקה). שסתום ההפעלה המוגנת מגביל את הלחץ במערכת ל-500 PSI (34.48 בר) על ידי הסעת הזרימה הנוספת של 3 גלון לדקה (11.37 ליטר לדקה) למיכל.

פתיחת פתח שסתום המחט

הסרת שסתום המחט החוצה מגדילה את קוטר הפתח — יותר זרימה עוברת לתוך הצילינדר, עד לגבול הלחץ של שסתום ההפעלה המוגנת. מהירות המוט עולה.

סגירת פתח שסתום המחט

הכנסה של שסתום המחט פנימה מקטינה את קוטר הפתח. פחות זרימה נכנסת לצילינדר, ולכן מהירות המוט יורדת.

השפעת הפרש הלחצים על הזרימה

הזרימה דרך פתח מושפעת מהפרש הלחצים. מכיוון שהלחץ הוא אנרגיה פוטנציאלית במערכת הידראולית, ככל שהפרש הלחצים דרך הפתח גדול יותר, כך הזרימה דרכו גדולה יותר.

דוגמה יומיומית — מיטה אוירית

לאחר יום בים או במחנה, מסירים את הסיבוב מהמזרון המנופח ומאפשרים לאויר ליצוא בחופשיות. מכיוון שההפרש בין הלחץ הפנימי לחיצוני קטן, המזרון מתכווץ לאט. לוחצים חזק על המזרון — הלחץ הפנימי עולה יחסית ללחץ האטמוספרי, ההפרש גדל, והאויר יוצאת מהר יותר.

לוחצים בעדינות על צינור שיניים — כמות קטנה יוצאת החוצה. לוחצים חזק — יותר שיניים נדחפת החוצה ויכולה ליפול על הרצפה. אם דוסים על צינור השיניים, ההפרש בין הלחץ הפנימי ללחץ האטמוספרי גדול יותר מאשר כאשר לוחצים עליו ביד, ולכן יותר שיניים יוצאת החוצה מהר יותר.

השפעת ההפרש בלחץ על זרימת שסתום מחט במעגל

במעגל המוצג, שסתום המחט מגביל את זרימת המשאבה של 5 גלון לדקה (18.95 ליטר לדקה) ל-3 גלון לדקה (11.37 ליטר לדקה). הגדרת שסתום החריגה: 500 PSI (34.48 בר). התנגדות עומס: 200 PSI (14 בר). הלחץ בכניסה לשסתום המחט שווה להגדרת שסתום החריגה: 500 PSI (34.48 בר). מתוך ה-500 PSI (34.48 בר) הללו, 200 PSI (14 בר) נוצלים כדי להתגבר על התנגדות העומס; הפרש הלחצים הנותר – 300 PSI (21 בר) – מפעיל זרימה של 3 גלון לדקה (11.3 ליטר לדקה) דרך שסתום המחט, ומייצר מהירות מוט של 19.25 רגל לדקה (5.87 מטר לדקה). הזרימה הנותרת של 2 גלון לדקה (7.58 ליטר לדקה) עוברת דרך שסתום החריגה אל המיכל.

העלאת הגדרת שסתום החריגה

כשמחזיקים את לחץ העומס והגדרת שסתום המחט ללא שינוי, והולכים להעלות את הגדרת שסתום החריגה ל-600 PSI (41.38 בר): הלחץ בכניסה לשסתום המחט הופך ל-600 PSI (41.38 בר). מתוך זה, 200 PSI (14 בר) נוצלים כדי להתגבר על העומס; הפרש הלחצים החדש – 400 PSI (28 בר) – מפעיל עתה זרימה של 4 גלון לדקה (15 ליטר לדקה) דרך שסתום המחט. מהירות המוט עולה ל-26 רגל לדקה (7.92 מטר לדקה).

לחץ העומס עולה

להחזיר את שסתום הלחיצה המיותרת ל-500 psi (34.48 בר) תוך שמירה על מצבו המקורי של שסתום המחט. עלייה בטעינה: לחץ הטעינה עולה ל-400 psi (28 בר). לחץ הכניסה לשסתום המחט נשאר 500 psi (34.48 בר), אך כעת רק הפרש לחצים בגובה 100 psi (6.9 בר) מפעיל זרימה דרך שסתום המחט — בסך הכל 1 gpm (3.79 ליטר לדקה). מהירות המוט יורד ל-6 רגל לדקה (30 מ"מ לשנייה). ה-4 gpm הנותרים (15 ליטר לדקה) עוברים דרך שסתום הלחיצה המיותרת.

זה מדגים כי הזרימה דרך שסתום מחט משתנה עם כל שינוי בלחץ באחד משני צידי הפתח. כדי למדוד במדויק את הזרימה דרך שסתום מחט, יש לבטל או לפצות על שינויים אלו בלחץ.

שסתום בקרת מהירות (שסתום פיקוח זרימה ממורכב בלחץ)

מהדוגמאות שלעיל, כל שינוי בלחץ באחד הצדדים של החריר משפיע על זרימת שסתום המחט, ובכך משנה את מהירות המניע. כדי למדוד במדויק את הזרימה דרך החריר ללא תלות בשינויי הלחץ, יש לתקנן את השינויים האלה בלחץ. שסתום מחט הוא שסתום בקרת זרימה לא מתקנן — זהו מכשיר מדידת זרימה טוב כל עוד הפרש הלחצים נשאר קבוע והמחט ממוקמת היטב במרכז. לבקרת זרימה מדויקת יותר יש להשתמש בשסתום בקרת זרימה מתקנן ללחץ (שסתום בקרת מהירות). זהו בוקר זרימה שמתקנן את שינויים הלחץ במעלה ובמורד החריר.

שסתומי בקרת מהירות (שסתומי בקרת זרימה מתקנים ללחץ) יכולים להתחלק לסוג 'כניסה' ולסוג מעקף.

מבנה שסתום בקרת מהירות מסוג 'כניסה'

שסתום בקרת הזרימה המתקנן ללחץ מסוג 'כניסה' מורכב מגוף שסתום עם פתחי כניסה ויציאה, שסתום מחט, ציר תקנון, וקפיץ מתח.

איך פועל שסתום הסוג 'כניסה'

כדי להבין כיצד פועלת המערכת מסוג 'כניסה למדיד', אנו מנתחים את פעולתה שלב אחר שלב. כאשר הסpool המאזן מוזז לחלוטין לצד A, כל שמן הלחץ הנכנס מגיע לחור של שסתום המחט. כל עוד הסpool המאזן זז במעט כלפי צד B, שמן הלחץ הנכנס נחנק. כדי לשמור על פתח הזנה פתוח, הסpool המאזן נמצא תחת כוח קפיץ שדוחף אותו לכיוון צד A. לחץ הכניסה לשסתום המחט נמדד דרך מסלול בקרה פנימי אל הקצה A של הסpool המאזן — כאשר הלחץ עולה מעל כוח הקפיץ, הסpool מוזז לכיוון צד B.

אם פתח שסתום המחט מוסדר כך שזרימה קטנה מהזרימה המרבית של המשאבה עוברת דרכו, הלחץ בכניסה לשסתום המחט עולה לערך שהוגדר לשסתום ההפרשה. כאשר הלחץ בכניסה לשסתום המחט עולה מעל כוח הקפיץ של הסpool המאזן, הסpool המאזן זז לכיוון B, ומביא לצמצום הזרימה הנכנסת. כאשר הזרימה דרך פתח הסpool המאזן שווה לזרימת הפלט של המשאבה, הלחץ בכניסה לשסתום המחט מתייצב בערך לחץ הקפיץ. לדוגמה, עם ערך קפיץ של 100 psi (6.89 בר) וסף הפרשה מוגדר על 500 psi (34.48 בר): הלחץ בכניסה הוא 500 psi (34.48 בר); כאשר שמן זורם דרך פתח הסpool המאזן, 400 psi (28 בר) הופכים לחום, והלחץ בכניסה לשסתום המחט יורד ל-100 psi (6.89 בר). כלומר, ללא תלות בלחץ בכניסה לשסתום בקרת הזרימה, הלחץ בכניסה לשסתום המחט נשמר ב-100 psi (6.89 בר) הודות לפעולה של הסpool המאזן.

איור 9-5: שסתום בקרת מהירות עם זרימה מכניסה (מתואם ללחץ). הסpool המתאים שומר על ירידת הלחץ דרך שסתום המחט קבועה, ללא תלות בשינויי הלחץ בכניסה או במוצא — ובכך מספק זרימה מדויקת וקבועה.

במעגל שסתום המחט הקודם, הפרש הלחצים דרך פתח שסתום המחט הוא רק חצי הסיפור — גם הלחץ במורד הזרימה של שסתום המחט חייב להיות מתואם. במילים אחרות, יש לשמור על הפרש לחצים קבוע. כדי להשיג זאת, הלחץ במורד הזרימה של שסתום המחט מופנה גם כן דרך מעבר בקרה אל מחסן הקפיץ המניע את הסpool המתאים. כעת פועלים שני כוחות על צד A של הסpool המתאים: כוח הקפיץ ולחץ השמן במורד הזרימה.

אם כוח הקפיץ שווה ל-100 psi (6.89 בר), הפרש הלחצים על שסתום המחט יוגבל לערך גבוה ב-100 psi (6.89 בר) מהלחץ במורד הזרימה. כל עוד ערכו של שסתום הפתיחה מוגדר מספיק גבוה, הפרש הלחצים על פתח המחט תמיד שווה לערך לחץ הקפיץ. בכך נוצר הפרש לחצים קבוע המפעיל את הזרימה דרך שסתום המחט — ללא השפעה של תנודות בלחץ מעלה או מטה הזרימה.

שסתום בקרת מהירות עם מדידת הזרימה בכניסה למעגל

במעגל, שסתום בקרת המהירות של הכניסה למדידות מוגדר על 3 גלון לדקה (11.37 ליטר לדקה). שסתום ההגנה: 500 PSI (34.48 בר), לחץ המטען: 200 PSI (13.79 בר). קפיץ הסpool המאזן = 100 PSI (6.89 בר). המשאבה מנסה לדחוף את כל ה-5 גלון לדקה (18.95 ליטר לדקה) דרך שסתום המחט, מה שגורם לעליית הלחץ בכניסה לשסתום המחט. ב-300 PSI (21 בר), הסpool המאזן זז ומצמצם את הזרימה, מה שגורם לעליית הלחץ בכניסה לבקרת הזרימה עד להגדרת שסתום ההגנה – 500 PSI (34.48 בר). מתוך ה-500 PSI (34.48 בר) הללו, 200 PSI (13.79 בר) משמשים להתגברות על המטען; 100 PSI (6.89 בר) דוחפים את הזרימה דרך שסתום המחט; והשארית של 200 PSI (13.79 בר) מתוך ה-500 PSI הופכת לחום כאשר הזרימה עוברת דרך הפתח של הסpool המאזן. הזרימה כאן היא 3 גלון לדקה (11.37 ליטר לדקה) ומהירות המוט היא 19 רגל לדקה (97.83 מ"מ לשנייה).

העלאת לחץ המטען והגדרת שסתום ההגנה

אם לחץ המטען עולה ל-400 psi (27.58 בר) או שהנתק המוגן מוגדר מחדש ל-600 psi (41.38 בר), עדיין זורם זרם של 100 psi (6.89 בר) דרך שסתום המחט. כל עוד הנתק המוגן מוגדר בגובה מספיק כדי להזיז את הסpool המאזן, זרם הפלט לצילינדר יהיה קבוע ב-3 גלון לדקה (11.37 ליטר לדקה).

מבנה שסתום בקרת מהירות מסוג מעבר צדדי

שסתום בקרת מהירות מסוג מעבר צדדי מורכב מגוף שסתום עם פתחי קליטה, פליטה ומחזירה, שסתום מחט, ספูล מאזן וקפיץ מוטה.

איך פועל סוג העברת הצד

הספול המאזן בשסתום זה פותח וסוגר מסלול מעבר לטנק החזרה. הספול המאזן נוטה לסגור תחת כוח הקפיץ (במצב התחתון). אם כוח הקפיץ הוא 100 psi (6.89 בר), לחץ הקליטה לשסתום המחט יוגבל ל-100 psi (6.89 בר). כאשר הזרימה דרך השסתום נשלחת לחלוטין לטנק השמן במצב ההתחלתי שלו. במהלך הפעולה הרגילה, הספול המאזן נמצא תחת כוח הקפיץ במצב סגורה.

הלחץ בכניסה של שסתום המחט נמדד דרך מסלול בקרה פנימי אל חלק העליון של הסpool המתקזז. כאשר הלחץ עולה מעל כוח הקפיץ המוטען מראש, הסpool המתקזז פועל כשסתום ריסון — ופותח את מסלול הביפס, ומגביל את הלחץ בכניסה לשסתום המחט ל-100 psi (6.89 בר). הלחץ הקבוע בכניסה לשסתום המחט אינו מבטיח זרימה קבועה — אם הלחץ במורד הזרימה משתנה, גם הפרש הלחצים על פתח המחט משתנה, ולכן גם הזרימה משתנה.

כדי לפצות על כך, הלחץ במורד הזרימה של שסתום המחט מועבר דרך מסלול בקרה לקופסת הקפיץ המוטען מראש של הסpool המתקזז. כעת, לצד A של הסpool המתקזז פועלים שני כוחות מוטענים: כוח הקפיץ והלחץ של השמן במורד הזרימה. אם כוח הקפיץ הוא 100 psi (6.89 בר), הלחץ בכניסה לשסתום המחט יוגבל ל-100 psi (6.89 בר) מעל הלחץ במורד הזרימה. כל עוד שסתום הריסון מכוון לרמה גבוהה מספיק, הפרש הלחצים על פתח המחט יהיה 100 psi (6.89 בר) — קבוע.

שסתום בקרת מהירות מסוג ביפס במעגל

שסתום בקרת מהירות מסוג מעקף שנקבע על 3 גלון לדקה (11.37 ליטר לדקה). לחץ ניקוז: 500 PSI (34.48 בר), עומס: 200 PSI (13.79 בר), כוח הקפיץ: 100 PSI (6.89 בר). המשאבה מנסה לדחוף את כל ה-5 גלון לדקה (18.95 ליטר לדקה) דרך שסתום המחט. הסpool המאזן פותח את נתיב המעקף, ומביא לכך שהלחץ בכניסה לשסתום המחט יוגבל ל-300 PSI (20.68 בר). מתוך ה-300 PSI האלה: 200 PSI (13.79 בר) נצמדים לעומס, ו-100 PSI (6.89 בר) דוחפים 3 גלון לדקה (11.37 ליטר לדקה) דרך שסתום המחט. ה-2 גלון הדקה הנותרים (7.58 ליטר לדקה) עוברים דרך פתח הסpool המאזן ישירות חזרה למיכל.

איור 9-8: מעגל בקרת מהירות מסוג מעקף. הסpool המאזן מעביר את זרם המשאבה העודפי ישירות למיכל, במקום לשלוח אותו דרך שסתום הניקוז. זה יעיל יותר מבחינה אנרגטית מאשר סוג הבקרת זרם בכניסה, מאחר שהזרם העודפי אינו עובר תחת הלחץ המלא של המערכת.

העלאת לחץ המטען והגדרת שסתום ההגנה

אם לחץ המטען עולה ל-400 psi (27.58 בר) או שהשסת ניקוז מוגדרת מחדש ל-600 psi (41.38 בר), עדיין יש 100 psi (6.89 בר) שדוחפים את הזרימה דרך שסתום המחט. כל עוד שסתום הניקוז מוגדר בגובה מספיק כדי לפתוח את הסpool המתקזז, הפלט לגליל הוא קבוע ב-3 gpm (11.37 ליטר לדקה).

השפעת הטמפרטורה על זרימת הפתח

כאמור בהתחלה של פרק זה, שלושת הגורמים העיקריים המשפיעים על זרימת הזרבובית הם גודל הזרבובית, הפרש הלחצים וטמפרטורת השמן. כאשר טמפרטורת השמן משתנה, גם החישוק שלו משתנה — וכאשר החישוק משתנה, גם זרימת הזרבובית משתנה. עבור זרבוביות קבועות או שסתומים מחוטיים, השינויים בזרימה הנגרמים על ידי טמפרטורה אינם בדרך כלל משמעותיים, מאחר שגודל הזרבובית וההפרש בלחצים גדולים באופן יחסי להשפעות החישוק. עם זאת, ביישומים הדורשים שליטה מדויקת ביותר בזרימה, יש לקחת בחשבון את ההשפעות של הטמפרטורה. שני סוגי שסתומי בקרת מהירות — שסתום בקרת זרימה לכניסה (meter-in) ושסתום בקרת זרימה מעביר (bypass-type) — מתאימים בדרך כלל ליישומים הידראוליים תעשייתיים טיפוסיים.

עבור יישומים הדורשים שליטה מדויקת ביותר בזרימה — ללא תלות בשינויי טמפרטורה — ניתן להשתמש בשסתום בקרת זרימה עם פיצוי טמפרטורי. סוג זה פועלת גם לפיצוי השפעות טמפרטורה.

נוסחאות עיקריות — פרק 9