شیر کنترل (Control Valve) چیست و انواع آن کدامند؟

مقدمه ای بر شیرهای کنترل

براساس تعریف ثبت شده در استاندارد ISA-S75.05 شیر کنترل (CONTROL VALVE) ابزاری است که با اعمال نیرویی غیر از نیروی دست عمل میکند . کنترل ولو یا شیر کنترل به تنظیم میزان جریان سیال در یک سیستم کنترل فرایندی میپردازد، کنترل ولو شامل یک شیر می باشد که به یک مکانیزم محرکه، که توانایی تغییر عامل کنترل کننده سیال را دارد وصل است . این تغییری که شیرهای کنترل هیدرولیکی ایجاد میکنند براساس سیگنالی است که این شیرها از سیستم کنترل دریافت میکند. شیر وسیله ای است که درکنترل کردن جریان و فشار سیالات استفاده میشود.

تعاريف اوليه شير:

• موضع شير:

تعیین کننده حالت يا وضعيت شير است ، بطور مثال موضع باز يا موضع بسته

• موضع سوئيچي:

هر شير توسط قسمت متحركي مثل فنر موضع معینی به خود میگيرد، مثلا باز يا بسته. هر موضع سوئيچ شده بوسیله يك مربع نشان داده ميشود. مربعهايي كه در كنار هم قرار گرفته اند، نشانگر تعداد موضعهاي سوئيچي شير ذکرشده هستند. به عنوان مثال دو مربع يعني دو موضع سوئيچي. جهت جريان در داخل مربعها تعیین ميشوند.

• موضع سكون يا نرمال:

موضعي كه شير قبل از تحریک به خود ميگيرد.

نحوه نام گذاری شير:

نام شير به تعداد مواضع سوئيچي و تعداد دهانه هاي آن شير بستگی دارد. مثلا شير راه دهنده 2/3 (سه-دو) يعني شيري كه 3 دهانه و دو موضع سوئيچي دارد. هنگام بيان نام شير، حالت موضع سكون شير نيز بيان ميشود. براي مثال شير 4/3 با موضع نرمال بسته. انواع معمول شيرهاي راه دهنده به شکل 5/3 , 5/2 , 4/3 , 4/2 , 3/2 , 2/2 ميباشد.

شیر 2/2:
عدد سمت راست ، تعداد حالت های شیر وعدد سمت چپ تعداد مجراهای شیر را نمایش می دهد ، وقتی میگوییم شیر 2/2 یعنی این شیر 2حالته و با 2 مجرا است:
نکته:
در کلیه نقشه ها ، نماد شیرها را در حالت توقف رسم می کنند که آن ” حالت کار نیفتاده ” نامیده می شود.
در شیر 2 حالته مربع سمت چپ و در 3 حالته مربع وسط ، حالت کار نیفتاده محسوب می گردد.
ضمیمه شامل نماد تعدادی از شیر های مورد استفاده در هیدرولیک می باشد.

تحريك شير:

شيرها توسط انواع مكانيزمهاي دستي، برقي، مكانيكي، هيدروليكي و پنوماتيكي تحريك ميشوند.

شير 3/4 موضع نرمال بسته با تحريك برقي

وظایف اصلی شیرهای صنعتی به شرح زیر میباشند :

۱) قطع کردن و وصل کردن کامل جریان
۲) از بازگشت مایعات و گازهای عبور کرده جلوگیری می کند.
۳) مقدار مورد نیاز برای عبور مایعات و گازها را تنظیم می کند.
۴) مقدار و فشار مایعات و گازها را تنظیم و کنترل میکند.
۵) دستگاه های تحت فشار را کنترل میکند و آنها را ایمن میسازد.
و اساسا شیرهای هیدرولیکی در جاهایی استفاده میشوند که برای جریان سیال (مایع و گاز ) اختلاف فشاری باشد .

– شیرهای هیدرولیکی

وظیفه ی شیرهای هیدرولیک کنترل انرژی سیال هیدرولیک در یک مدار هیدرولیک می باشد.

طبقه بندی شیرها از نظر نوع عملکرد :

شیر کنترل مسیر(دایرکشنال )
شیرکنترل فشار ( پرشر کنترل )
شیرکنترل دبی (فلو کنترل )

طبقه بندی شیرها از نظر نوع تحریک :

شیر دستی
شیر فشار سیال (هیدرولیکی- نیوماتیکی)
شیر مکانیکی
شیر برقی

اسپول:

نام یک قطعه استوانه ای شکل فلزی می باشد که داخل شیرهای هیدرولیک قرار میگیرد و میتواند در داخل شیر حرکت کند. درفواصل معینی از طول استوانه قسمت های مشخصی را با دقت زیاد تراش میدهند و ماشینکاری میکنند. در نتیجه قسمتهای تراش داده شده بدنه استوانه ، وقتی که در داخل سیلندر شیر رو به روی 2 یا چند مجرا جای می گیرند ، به عبور روغن اجازه می دهند و قسمتهای تراش نخورده استوانه نیز مسیر عبور روغن را می بندند . پایین بودن تلرانس این قطعات ، هرگونه ناهمراستائی در اسپول و سیلندر آن ، باعث ازکارافتادگی و خرابی شیر می شود. بنابراین شیارهای حلقه ای روی قسمتهای تراش نخورده بدنه استوانه به وجود میآید که یک بالشتک هیدرولیکی و یا رینگ روغنی با نفوذ روغن در آنها ایجاد می شود و در مرکز سیلندر اسپول را نگه می دارد.

انواع شیرهای هیدرولیکی عبارتند از:

1) شيرهاي پروپورشنال و سروو

کنترل شیرهای برقی هیدرولیکی مثل کنترل جهت ،کنترل فشاروفلوکنترل برقی پروپرشنال برای خروجی های متناسب باولتاژمتغیر استفاده میشود. بطور مثال در صورت استفاده از شیرکنترل جهت پروپرشنال با تغییر ولتاژ ورودی شیر همزمان با کنترل جهت ،کنترل سرعت هم داریم بنابراین حرکت های جک کنترل میشود و ابتدا وانتهای حرکت به آرامی صورت میگیرد. درشیرهای کنترل فشار پروپرشنال می توان با تنظیم وتغییرولتاژ،فشاررا اندازه گرفت ودراتوماسیون استفاده کرد.
برای مدیریت برمسیرعبورجریان ، شیرهای کنترل جهت معمولی استفاده میشود با این تفاوت که دارای سولونوئیدهای پروپرشنال یا تناسبی هستند که متناسب با میزان سیگنال ورودی،باعث جابجایی اسپول می شوند.
شيرهاي الكتروهيدروليك عملكرد ديجيتالي(0-1) دارند که متداول با سولنوئيدهاي AC است. به طوریکه با وضعيت قطع و وصل سولنوئيد متناظر می باشند، اسپول در يك جایگاه خاص قرار میگیرد. به طور مثال يك شير كنترل جهت دو راهه – دو وضعيتي در وضعيت كاملا باز يا كاملا بسته با تحريك سولنوئيد قرار ميگيرد. اين نوع عملكرد ديجيتالي، باعث ايجاد ضربات فشاري و جرياني در مدار هيدروليك ميشود.
براي رفع مشكلات فوق در شيرهاي پروپورشنال و سروو نيروي ناشي از بوبين يك سولنوئيد DC يا موتورهاي مخصوص به کار برده ميشود. اين شيرها در انواع كنترل جهت، كنترل دبي و كنترل فشار در رنج گسترده ای قرار دارند
اگر دبي که از شير عبور میکند ازحد مشخصی بیشتر باشد، از طريق سولنوئيد نمیتوان تحريك مستقيم انجام داد. برای همین شيرهاي با تحريك پيلوتي به کار برده ميشود. اين شيرها تركيب دو شير هيدروليك هستند كه به صورت دو طبقه روي هم قرار دارند.اگر شير كوچكتر تحريك شود باعث میشود روغن تحت فشار به دو طرف اسپول شير انتقال یابددر نتیجه اسپول اصلي حرکت میکند و روغن به سمت مصرف كننده میرود.

2 ) شيرهاي قطع و وصل shutoff دوراهه

اين شيرها برای قطع و وصل جريان به کار برده می شوند. مكانيزم كار آنها به صورت نشستني يا كشويي است. شير قطع و وصل عبور جريان را به صورت غير پله أي كم و زياد میکند.

3) شيرهاي يكسو كنندهcheck valve

شيرهاي يكسو كننده ابزاری هستند كه جريان را فقط در يك جهت عبور ميدهند و از جهت مقابل جریان را عبور نمیدهند و برای همین به آنها شير با مانع برگشت میگویند. با یک ساچمه و یا نظایر آن به علاوه یک فنر یک شیر یک طرفه می توان ساخت که بسته به طراحی ، سالم بودن ساچمه ، قدرت و جنس فنر و آببندی عملکرد دقیق دارد.

شیرهای پرکن

این شیرها (شکل 4-6)، طی مرحله حرکت سریع برای تامین روغن مورد نیاز سیلندرهای بزرگ استفاده می‌شوند. نحوه کار پرکن ولو بشکلی است که فشار خط فرمان از طرف مدار تامین میشود، شیر یک طرفه مسیر ورود ثقلی روغن از مخرن فوقانی را به سیلندر باز می‌کند.

شکل 4-5 بلوک مشتمل بر دو شیر یک طرفه با خط فرمان
الف) مدار کاربردی و علایم سمبلیک ب) نمای برش خورده

شیر یکطرفه با تحریک خط فرمان

چون بخش کوچکی ازحریان از طریق اسپول شیرهای کنترل جهت نشت می‌کند در مواردی که به توقف سیلندر زیربار نیاز است می‌توان از نوع خاصی از شیرهای یک طرفه بهره برد. این نوع شیر یکطرفه، شیر یکطرفه با خط فرمان نامیده میشود.

شیر یک طرفه با خط فرمان:

نوع دیگری از شیرهای یک طرفه میباشد (شکل 4-4) با این فرق که در صورت بالا رفتن فشار در خط فرمان، مسیری که در حالت عادی بسته است هم باز میشود و سیال عبور میکند. در مکانیزم داخلی این شیرها، بوسیله ی یک فنر سبک سوپاپ بسته نگه داری می‌شود و هنگامی که نیاز داریم سیال در جهت مخالف جریان پیدا کند، بایستی از طریق مجرای ورودی خط فرمان، به پیستونی که به انتهای سوپاپ وصل است، فشار به اندازه کافی اعمال شود. برای جلوگیری از افزایش فشار در پشت پیستون، مجرای جداگانه‌ای جهت تخلیه روغن ایجاد شده است. خط چین در علامت سمبلیک این شیر، نمایش دهنده خط فرمان است. به منظور قفل کردن سیلندرهای هیدرولیکی در موقعیت مورد نظر معمولاً از شیرهای یک طرفه با خط فرمان استفاده می‌شود. در مدار شکل 4-4 طریقه ی تامین فشارخط فرمان برای باز شدن شیر یک طرفه هنگام حرکت سیلندر به سمت پایین نمایش داده شده است. تصویر شکل4-5 از قرار گرفتن دو شیر یک طرفه با خط فرمان در یک بلوک ایجاد می‌شود که به شکل یک شیر وبرای مصارفی مثل قفل کردن سیلندر (در حین رفت یا برگشت) در یک موقعیت ویژه به کار برده میشود.

شکل 4-4 . شیر یک طرفه با خط فرمان

الف) یک نمونه واقعی به همراه علامت نمادین ب) نمای برش خورده ج) یک نمونه کاربرد در مدار

شیرهای دو راهه (باز و بسته 2/2)

شیرهای دو راهه بعنوان شیرهای باز و بسته و با امکان عبور دو طرفه سیال در مدار استفاده میشوند. از انواع این شیرها، نوع دروازه‌ای (برایموارد کم فشار) و انواع کروی و ساچمه‌ای ( برای مواردفشار بالا) را می‌توان ذکر کرد. (شکل 4-7) نوع دروازه‌ای تنها در حالات کاملا باز یا بسته استفاده میشود، بطوریکه در برخی از موارد با نصب یک حسگر روی شیر، از شروع به کار مدار قبل ازباز شدن کامل مسیر میشود. شیرهای دروازه‌ای و ساچمه‌ای از لحاظ تنظیم جریان دقت بالایی ندارند و معمولا برای اتصال یا جداسازی قسمت‌های مختلف مدار ازهم استفاده می‌شوند. شیرهای دو راهه با مكانيزم‌های داخلی قرقره‌ای یا سوپاپی توزیع می‌شوند.

شکل 4-7 . انواع شیرهای دوراهه
شیرهای کنترل جهت (اصول طراحی هیدرولیک)

شيرهاي كنترل جهت

شيرهاي کنترل جهت (دایرکشنال )

اين شيرها ابزاری برای باز و يا بسته کردن مسير جريان هستند كه در اثر اين کار حركت سيستم شروع يا متوقف ميشود.

شیر پایلوتی

در پاپیلوتی ولو اگر دبي عبوري از شير از حد معيني بیشترباشد، تحريك مستقيم شير از طريق سولنوئيد امكانپذير نیست.

برای همین شيرهاي با تحريك پيلوتي به کار برده ميشود. اين شيرها تركيب دو شير هيدروليك هستند كه به صورت دو طبقه روي هم جای ميگيرند. تحريك شير كوچكتر باعث حرکت روغن تحت فشار به دو طرف اسپول شير اصلي ميشود. در نتیجه اسپول اصلي حرکت میکند و روغن به سمت مصرف كننده انتقال میابد.

2) شيرهاي قطع و وصل

اين شيرها برای قطع و وصل جريان استفاده ميشوند. مكانيزم كار اين شيرها به صورت نشستني يا كشويي میباشد. شير قطع و وصل ،عبور جريان را به صورت غير پله أي كم و زياد میکند.

3) شيرهاي يكسو كننده

ابزاری هستند كه جريان را تنها در يك جهت عبور ميدهند و از جهت مقابل از عبور جريان جلوگیری میکنند و به همین دلیل آنها شير با مانع برگشت نامیده میشوند.

روش های نصب شیرهای هیدرولیکی(Hydraulic valve)

1- شیر بلوکی(Block valve)

2- شیر کارتریجی(Cartridge valve)

3- شیر مستقیم(Direct valve)

معیارهای انتخاب شیر به شرح زیر میباشد.
–   قطرلوله طبق حجم دبی کاری
–   فشارکاری
–   کاربرداستفاده
–   نحوه نصب
–   شرایط محیطی ودرجه حرارت و…
–   هزینه های تعمیرنگهداری