6-3-2 سوپاپهای کنترل فشار

6-3-2 سوپاپهای کنترل فشار

ابتدا در مورد اینکه یک سوپاپ کنترل فشار چیست و این که چه کاری در یک سیستم هیدرولیک انجام می دهد بحث می کنیم. هدف این بخش ارائه یک تصویر کلی و فهم عمیق از عملکرد نیروها در یک سیستم هیدرولیک، هنگام استفاده از سوپاپ کنترل فشار می باشد. همچنین نحوه کار و اصول طراحی انواع سوپاپهای کنترل فشار و کاربرد آنها مورد بررسی قرار می گیرد.

دو نوع اصلی سوپاپ های طراحی شده برای کنترل فشار عبارتند از :

  1. سوپاپ های کنترل فشار با عملکرد مستقیم
  2. سوپاپ های کنترل فشار پایلوت دار

اصول کار تمام سوپاپ های کنترل فشار بر اساس دو نوع طرح اساسی فوق می باشد. هدف اولیه در هر مدار هیدرولیکی کنترل دبی و فشار مختلف در نظر گرفته شده است . این شش نمونه سوپاپ همراه با نماد گرافیکی آن در شکل ذیل نشان داده شده اند

سوپاپ فشار شکن مستقیم ساده

متداول ترین نوع سوپاپ های کنترل فشار که کاربرد زیادی دارد، سوپاپ فشار شکن است که در سیستمهای هیدرولیکی یافت می شود. این سوپاپ در حالت عادی بسته است و وظیفه آن محدود کردن حداکثر فشار در سیستم می باشد که این کار از طریق برگشت و تخلیه جریان روغن به مخزن صورت می گیرد. تمام سوپاپهای فشار شکن دارای یک دهانه فشار هستند که به مسیر خروجی پمپ وصل می شود و یک دهانه تخلیه دارند که به مسیر برگشت سیال به مخزن متصل می گردد. هنگامیکه فشار سیال درون سیستم بر ساچمه غلبه کند ارتباط بین دهانه ورود و خروج بر قرار شده که نتیجه ان بازگشت جریان به مخزن است.

در این سوپاپ یک ساچمه بایک مغزی مخروطی در جلوی دهانه ورودی فشار قرار دارد که بطور مستقیم توسط نیروی فنری که در پشت آن است دهانه فشار را بسته نگه می دارد. معمولاً فشار فنر قابل تنظیم می باشد و تا زمانیکه فشار سیستم کمتر از فشار فنر پشت مغزی باشد مغزی مخروطی دهانه را مسدود نگه می دارد. هنگامی که فشار سیستم خیلی زیاد می شود و از فشار شکست بیشتر شود مغزی مخروطی از جایش بلند می شود. این عمل به جریان اجازه می دهد با عبور از مغزی به مخزن تخلیه شود. از این رو فشار مورد نیاز در سیستم مطابق با مقدار تنظیمی توسط سوپاپ فشار شکن می باشد. هنگامی که فشار جریان در سیستم هیدرولیک زیاد شود برای ایمنی سیستم، سوپاپ فشارشکن جریان را به درون مخزن بر می گرداند تا فشار مطلوب سیستم در مدار هیدرولیک حفظ شود.این عمل، سیستم را از هر گونه اضافه بار ایجاد شده توسط عملگرها در سیستم های هیدرولیک محافظت می کند. یکی از وظایف مهم سو پاپهایفشار شکن، محدود کردن نیرو و گشتاور تولید شده به وسیله سیلندرها و موتورهای هیدرولیکی است. یکی از مهمترین مسائلی که باید به آن دقت کرد طراحی یک فنر برای سوپاپ فشار شکن است به گونه ای که به اندازه کافی قوی باشد تا مغزی مخروطی را در شرایط دبی و فشار زیاد، بتواند بسته نگه دارد . نمونه ای از مدار هیدرولیکی شامل یک پمپ و سوپاپ فشار شکن در شکل (6-17) نشان داده است. پمپ و سوپاپ فشار شکن به صورت شماتیک نشان داده شده اند.

سوپاپ فشار شکن پایلوت دار یا مرکب

سوپاپ فشار شکن پایلوت دار یا مرکب در دو مرحله عمل می کند. در یک ظرفیت عبور جریان، تحمل فشار سوپاپهای فشار شکن پایلوت دار نسبت به فشار شکن مستقیم بیشتر است. همچنین محدوده تنظیم فشار سوپاپهای پایلوت دار نیز وسیع تر است. برای فهمیدن اینکه سوپاپ فشار شکن پایلوت دار چگونه طراحی شده است، قسمت اول سوپاپ فشارشکن پیلوت دار شامل قرقره  اصلی است که در حالت عادی بسته می باشد و توسط فنر غیر قابل تنظیمی در وضعیت خود نگه داشته می شود. پایلوت در قسمت بالایی بدنه سوپاپ قرار دارد و شامل یک مخروط محدود کننده فشار می باشد که توسط یک فنر قابل تنظیم در جای خود نگه داشته می شود. بدنه پایینی شامل مجراهای اتصال می باشد.پیستون تعادل در قسمت پایینی بدنه برای عبور کامل جریان پمپ به کار گرفته می شود. درحالت عادی، پیستون تعادل دروضعیت تعادل هیدرولیکی می باشد.فشارسیستم  ازطریق دهانه ورودی به هر دو طرف پیستون اعمال می شود. بر روی بدنه پیستون سوراخ کوچکی به نام گذرگاه ایجاد شده است. فشار سیال از طریق این گذرگاه به طرف دیگر پیستون اعمال می شود این فشار از طریق مسیر پایلوت به مغزی پایلوت وارد می شود.  مغزی پایلوت توسط فنری که در پشت آن قرار دارد نگه داشته می شود. به محض اینکه فشار به حد کافی برسد و ازفشار فنری که پشت مغزی پایلوت قرار دارد بیشتر شود مغزی پایلوت به سمت عقب حرکت کرده و دهانه پایلوت باز می شود. مقداری از جریان سیال از طریق مسیر پایلوت به مخزن تخلیه می شود. با عبور جریان از مسیر پایلوت افت فشاری در پشت پیستون ایجاد می شود. عدم تعادل فشار در طرفین پیستون سبب ایجاد نیروهای نامتعادل به طرفین پیستون خواهد شد. هنگامیکه اختلاف فشار در بالا و پائین پیستون به حدود  kg/ 5/1 برسد، پیستون اصلی به سمت بالا حرکت نموده و بدین ترتیب دهانه خروجی اصلی باز شده و جریان سیال مستقیماً به مخزن هیدرولیک تخلیه می شود. اگر جریان عبوری از سوپاپ افزایش یابد پیستون بالا رفته و اجازه عبورجریان بیشتری به مخزن را می دهد. همچنین عملکرد سو پاپهای مرکب ا می توان از طریق دهانه بالای پیستون از راه دور نیز کنترل نمود.

سوپاپ کاهنده فشار

سوپاپ های کاهنده فشار معمولاً جزء سوپاپهای کنترل فشار باز هستند که جهت محدود کردن و کاهش فشار در یک یا دو قسمت از مدار هیدرولیکی استفاده می شوند. کاهش فشار منجر به کاهش نیروی تولید شده می شود. این نوع سوپاپ تنها سوپاپ کنترل فشاری است که در حالت نرمال باز است.

سوپاپ کاهنده فشار، فشار را از دهانه خروجی خود حس کرده و فرمان می گیرد و تمایل به بسته شدن دارد تا هنگامیکه فشار خروجی آن به مقدار تنطیم شده سوپاپ برسد .هنگامیکه فشار پائین دست نسبت به فشار تنظیمی سوپاپ پائین تر است، جریان به طور آزادانه از مجرای ورود به مجرای خروجی جریان خواهد یافت. با توجه به شکل، یک مسیر کنار گذر در دهانه خروجی مشاهده می شود که فشار خروجی را بر خلاف نیروی فنر به انتهای قرقره انتقال می دهد. هنگامیکه فشار پایین دست نسبت به مقدار فشار فنر قرار گرفته درپشت قرقره زیادتر شود، قرقره به سمت راست حرکت کرده و با توجه به شکل قسمتی از مجرای خروجی را مسدود می کند. بنابراین جریان عبوری از دهانه خروجی برای ثابت نگه داشتن فشار خروجی سوپاپ کاهش می یابد. چناچه سوپاپ بطور کامل مسدود شود نشتی روغن عبوری از قرقره می تواند سبب ایجاد فشار پائین دست بیشتر از مقدار فنر بشود. به همین خاطر برای جلوگیری از این اتفاق و تخلیه جریان نشتی از خط تخلیه داخلی مجزایی استفاده شده است.

کاربرد عملی سوپاپ کاهنده فشار در یک سیستم هیدرولیک

مدار نشان داده شده در شکل (6-20) را در نظر می گیریم. فرض بر این است نیروی به کار رفته جهت راه اندازی یکی از سیلندر ها نسبت به دیگری کمتر باشد. در این مدار برای راه اندازی سیلندر B نسبت به سیلندر A نیروی کمتری مورد نیاز می باشد. به همین خاطر مطابق شکل نشان داده شده از یک سوپاپ کاهنده فشار قبل از سیلندرB استفاده شده است. این چیدمان سبب می شود زمانیکه جریان ورود به سیلندر به حداکثر مقدار فشار تنظیمی سوپاپ به کار رفته برسد، سوپاپ عمل کرده و جریان به طور عمودی قطع می شودبنابراین از عبور جریان با فشار بیشتر از فشار تنظیم شده جلوگیری می شود. سیال لز طریق مسیر تخلیه سوپاپ به مخزن تخلیه می شود. در نتیجه این عمل بتدریج، فشار کاهش پیدا کرده و مجدداً سوپاپ برای عبور جریان به سیلندر باز می شود. در نهایت فشار تعادل کاهش یافته با فشار تنظیمی سوپاپ معادل خواهد بود.

سوپاپ تخلیه فشار(بی بار کننده)

سوپاپهای تخلیه فشار از راه دور کنترل می شوند، و فشار مسیر پایلوت خود را می تواند از هر جایی از مدار دریافت می کند و معمولاً این سوپاپها از نوع کنترل بسته می باشند. هنگامیکه فشار در یک قسمت از مدار هیدرولیک از فشار تنظیم شده سوپاپ بیشتر شود، سوپاپ تخلیه فشار باز شده و جریان بطور مستقیم به مخزن تخلیه می شود.

سوپاپ ترتیبی(توالی)

سوپاپ توالی معمولاً بعنوان سوپاپ کنترل فشار بسته شناخته می شود. در یک مدار هیدرولیکی از این سوپاپ برای تامین حرکت ترتیبی عملگرها بر پایه فشار استفاده می شود. بعبارت دیگر سوپاپهای ترتیبی وقوع یک عملکرد را قبل از دیگری تامین می کنند. تصویری از سطح مقطع سوپاپ ترتیبی در شکل نشان داده شده است. هنگامیکه اجزاء متصل به مجرایA از سوپاپ به فشار تنظیم شده برروی سوپاپ برسد سیال بوسیله سوپاپ از طریق مجرای B به منظور انجام کار در یک دهانه دیگر از سیستم عبور داده می شود. مغزی مخروطی جریان زیاد از سوپاپ ترتیبی توسط مخروط فنر داری کنترل می شود. در فشارهای پائین مغزی مخروطی  از ورود جریان سیال به مسیر A جلو گیری می کند.  سیگنال فشار در مسیر A از طریق روزنه هایی به سمت بالای مغزی مخروطی و مخروط انتقال می یابد. هیچگونه جریانی از این سوپاپ عبور نمی کند. مگر آنکه فشار در مسیر A از حداکثر فشار تنظیم شده در فنر پشت مخروط بیشتر شود. هنگامیکه فشار از فشار تنظیمی سوپاپ بیشتر شود، مغزی مخروطی اصلی بالا رفته و اجازه عبور جریان از طریق مجرای B را می دهد. فشار تنظیم شده در مسیر A نگه داشته می شود تا اینکه فشار در مسیر B به مقدار مشابه برسد.

یک جریان پایلوت کم در حدود(gpm4/1) از طریق پیستون کنترل عبور کرده و مخروط پایلوت به سمت مسیر تخلیه خارجی می گذرد. هنگامیکه افزایش فشاری در مسیرB وجود داشته باشد پیستون کنترل برای جلو گیری از افت فشار بیشتر جریان پایلوت، عمل می کند. مغزی مخروطی اصلی بطورکامل باز می شود و اجازه می دهد فشارها در مسیرهای A  B با هم بالا رود.

سوپاپ خنثی کننده وزن

سوپاپهای خنثی کننده وزن معمولاً بعنوان سوپاپ کنترل فشار بسته محسوب می شوند که برای جلو گیری از حرکت ناخواسته یک بار ناشی از نیروی وزن مثلاً جکها به کار می روند.

شکل (6-25)، نحوه کار یک سوپاپ خنثی کننده وزن را نشان می دهد. دهانه اول سوپاپ به قسمت تحتانی سیلندر، دهانه دوم به سوپاپ کنترل جهت یا همان (DCV)  وصل می شود.فشار تنظیم شده  سوپاپ حنثی کننده وزن بالاتر از مقدار نیاز تنظیم می شود تا از سقوط نا خواسته بار جلو گیری کند.هنگامی که جریان سیال ارسالی از پمپ از طریق سوپاپ کنترل جهت به قسمت بالای سیلندر هدایت می شود پیستون به طرف پایین رانده می شود. در نتیجه فشار در دهانه اول افزایش یافته و قرقره بلند می شود بدین ترتیب مسیری برای عبور جریان از طریق دهانه دوم باز شده و از طریق سوپاپ کنترل جهت به مخزن تخلیه می شود.

هنگام بالا رفتن سیلندر سوپاپ یکطرفه که بصورت موازی با سوپاپ خنثی کننده وزن قرار گرفته سبب می شود حرکت سیلندر به طرف بالا بصورت عادی انجام شود و امکان بسته شدن جک را فراهم می کند. شکل (6-26) چگونگی عملکرد دقیق سوپاپ خنثی کننده وزن را در مدار هیدرولیک نشان می دهد. با توجه به شکل نشان داده شده سوپاپ خنثی کننده وزن به منظور جلوگیری از هر گونه عملکرد غیر کنترل شده بعد از سیلندرقرار دارد. در صورتیکه سوپاپ خنثی کننده وزن بعد از سیلندر قرار نداشته باشد وزنه، سیلندر را به پائین می کشد و حرکت سیلندر برای پائین آوردن وزنه غیر قابل کنترل می شود. فشار تنظیم شده برای سوپاپ حنثی کننده وزن کمی بیشتر از فشار ناشی از بار می باشد. هنگامیکه سیلندر باز می شود می بایست به منظور حرکت به سمت پائین، افزایش جزئی در فشار ایجاد شود.

سوپاپهای ترمز موتوری

سوپاپ های ترمز معمولاً از نوع سوپاپ های کنترل فشار بسته می باشند که به منظور کنترل حرکت هیدروموتورها در سیستمهای هیدرولیکی کاربرد دارند. عملکرد ایندسته از سوپاپها ترکیبی از هر دو روش دستی و کنترل پایلوتی بصورت همزمان می باشد. همگام عملکرد سوپاپ، بوسیله فشار سیستم و از طریق مسیر پایلوت،  سوپاپ باز نگه داشته می شود. بنابراین فشار برگشتی وارد بر موتورکه ممکن است مقاومت در طرف دیگر هیدروموتور و بار وارد بر آن را بالا ببرد حذف می شود.بعبارت دیگر سوپاپهای ترمز، فشار در مسیرهای ورودی و خروجی هیدروموتور را حس کرده و در صورتی که فشار در خروجی کمتر از فشار در ورودی باشد به سیال خروجی اجازه می دهد تقریباً بدون محدودیت از هیدروموتورها خارج شود که در این حالت عملکرد هیدروموتور طبیعی است اما هنگامیکه فشار در مسیر خروجی بیشتر از مسیر ورودی باشد سوپاپ ترمز، مسیر را کمی می بنددتا فشار در این مسیر افزایش یافته و حرکت مربوطه تحت کنترل باشد. شکل(6-27) عملکرد یک سوپاپ ترمز در یک مدار هیدرولیکی شامل هیدروموتور را نشان می دهد.

هنگامیکه سوپاپ کنترل جهت تحریک می شود فشار در مسیر پایلوت افت کرده و سوپاپ بسته می شود. باز شدن سوپاپ نیز از طریق پایلوت داخلی است که بوسیله نیروی اینرسی ناشی از ترمز دینامیکی هیدروموتور می باشد.