شیر کنترل جریان چیست؟

شیرهای کنترل جریان با تنظیم میزان عبور سیال در سیستم‌های هیدرولیکی به مقاومت در برابر جریان روغن کمک می‌کنند. این شیرها در مدار قرار گرفته و زمانی که نیاز به مقاومت نباشد مانند یک لوله عمل می‌کنند. اما زمانی که مقدار باز شدن در مجرای آن شروع شود به تدریج افزایش مقاومت و در نتیجه فشار ورودی نیز سیر صعودی گرفته و هنگامی که این افزایش فشار به فشار تنظیمی شیر اطمینان (Reliefe valve) برسد، قسمتی از جریان از طریق شیر رلیف ولو به مخزن ارسال می شود. هر چه مقدار باز بودن مجرا کمتر شود به این معنا که مقاومت بیشتر شود، دبی کمتری از شیر کنترل جریان عبور نموده و فشار مدار نیز بیشتر می شود. در نتیجه مقدار روغن بیشتری به مخزن روغن تخلیه می گردد.

فلوکنترل ها به منظور تنظیم میزان عبور سیال به نقاط مختلف سیستم هیدرولیک مورد استفاده قرار می گیرند.در شیرهای کنترل جریان ،کوچک‌تر شدن مسیر عبور سیال نیز باعث افزایش فشار در مجرای ورودی شیر می گردد. در نهایت به دلیل این افزایش فشار، شیر محدودکننده فشار باز شده و در نهایت تقسیم اندازه جریان اتفاق می‌افتد.

نکته:

قابل ذکر است ،منظور از تقسیم جریان این است که قسمتی از جریان بر اثر مقاومت شیر کنترل جریان، بوسیله شیر محدود‌کننده فشار، به مخزن فرستاده می‌شود. بعد از این اتفاق میزان زیادی از انرژی  هدر می‌رود که برای حفظ آن از پمپ‌هایی که جریان آن‌ها قابل تنظیم است، استفاده می‌شود.

در ادامه برای درک بهتر مفهوم نقش شیرهای کنترل جریان در یک مدار هیدرولیک پیشنهاد می گردد به مدار زیر دقت کنید:

ساختمان/اجزاء شیر کنترل جریان

اجزاء شیرهای کنترل جریان نیز شامل: بدنه ی شیر، جسمی برای کنترل روزنه، آب بندی روزنه، شیر یک طرفه، فنر هستند که در ادامه مقاله به توضیح هر کدام می پردازیم.

• بدنه ی شیر

در شیرهای هیدرولیک بدنه می تواند از چدن مقاوم یا فولاد ریخته گری ساخته شود. همان قدر که صافی بیرون بدنه ی شیرکنترل جریان آن چنان اهمیت ندارد ولی صافی سطح درونی بسیار مهم است به دلیل آن که سطح داخلی شیر باید کاملا آب بند و بدون نشت باشد.

• جسمی برای کنترل روزنه ( سوزن)

کنترل روزنه می تواند با جسمی به شکل سوزنی انجام شود و به این ترتیب می تواند به راحتی روزنه ی شیر را تحت کنترل قرار داده و اندک اندک آن را باز یا بسته کند. معمولا جنس این عنصر از فولاد سخت آبکاری شده است. برای دسترسی آسان به تنظیم فاصله ی این مهار یک پیچ قرار داده شده است و برای باز کردن این روزنه باید آن را در جهت پادساعتگرد بچرخانیم.

• آب بندی روزنه ( اورینگ – واشر )

همانطور که از نام آنها پیدا است، این آب بندها به منظور جلوگیری از نشت سیال بین بدنه و ساقه ی عنصر مهار روزنه مورد استفاده قرار می گیرند. سیال درون شیر پرفشار است و در صورت نشتی به سیستم آسیب میرسد، به همین دلیل آب بندی بسیار دارای اهمیت است. این آب بندها میتوانند شکل ها و جنس های متفاوتی داشته باشند. این روزنه ها نیز می توانند از جنس لاستیک ها، مواد مصنوعی، آزبست اشباع شده با گرافیت و غیره باشند. قابل ذکر است که آب بندها نیز می توانند به شکل اورینگ، حلقه ی چهاربر، حلقه ی جناغی، گوه ای و غیره که به عنوان نگهدارنده در نشیمن ها استفاده می شوند، باشند.

• شیر کنترل جریان یک طرفه

شیرهای کنترل جریان یک طرفه برای فراهم کردن امکان جریان آزاد سیال در یک جهت در شیر کنترل جریان، لازم و ضروری است داخل شیر، شیر یک طرفه نیز وجود داشته باشد. شیر های یک طرفه باید بدون هیچ نشت در نشیمن خود قرار بگیرند، زیرا در غیر این صورت به کارگیری آن بی فایده است.

• فنر

در شیر کنترل جریان یک طرفه از فنر به منظور نشاندن اجزای شیر یک طرفه روی نشیمن استفاده می شود. زمانی که فشار وارد شده به شیر یک طرفه برداشته شود، فنر کمک می کند که مسیر شیر به سرعت بسته شود.

مشخصات مهم در شیر کنترل جریان

موارد زیر از اساسی ترین مشخصاتی است که توسط سازندگان هیدرولیکی برای شیر کنترل جریان ارائه می شود:

• حداکثر فشار مجاز
• ماکزیمم جریان (دبی) مجاز
• مشخصات سیال ورودی که شامل نوع سیال، دبی، افت فشار و ویسکوزیته آن می شود
• ابعاد فیزیکی
• روش نصب
• جهت ورودی و خروجی شیر

 نماد شماتیک زیر نماد شیر کنترل جریان می باشد:

انواع شیرهای کنترل جریان

در ادامه به بررسی مهم‌ترین انواع شیرهای کنترل جریان و عملکرد آن‌ها نیز می پردازیم:

• شیرهای سوزنی (Needle valve):

ساده‌ترین نوع شیرهای کنترل جریان، شیر سوزنی می باشد که معمولا از جنس فولاد ضد زنگ (stainless steel) ساخته می‌شود. ساختمان شیر های سوزنی بسیار ساده بوده و اغلب به صورت دستی عمل می‌کنند و برای باز و بسته کردن مسیر عبور جریان به کار می‌روند.

اندازه‌ی گذرگاه ورودی، به سادگی با چرخاندن یک پیچ که سوزن در انتهای آن قرار دارد، تنظیم می‌گردد.در صورتی که شیر کاملا باز باشد (تصویر سمت چپ)، جریان سیال بدون محدودیت عبور می‌کند اما اگر شیر کاملا بسته باشد (تصویر سمت راست)، هیچ جریانی از آن عبور نمی‌کند. گاهی ممکن است نیاز به محدود کردن شدت جریان عبوری در سیستم باشد، در این حالت می‌توان شیر سوزنی را در حالت نیمه باز تنظیم کرد تا جریان عبوری از شیر  محدود شود.

دراین نوع شیرها یک افت فشار بین دو طرف شیر بوجود می آید که متناسب با اندازه‌ی گذرگاه است. هرچه اندازه‌ی گذرگاه تنگ تر شود، افت فشار در شیر بیشتر خواهد بود. قابل ذکر است که شدت جریان عبوری از شیر نیز متناسب با افت فشار خواهد بود.

جهت نصب این شیرها بسیار دارای اهمیت است. در صورتی که به هنگام نصب شیر ،جهت عبور سیال در مدار رعایت شود  از وارد آمدن فشار به پیچ تنظیم (stem)، درحالی که شیر بسته شده، جلوگیری می‌شود.

اما در بیشتر مدارهای کاربردی، از ترکیب شیر کنترل جریان با شیر یک طرفه  نیز استفاده می‌شود. چنین شیری عبور جریان از هر دو جهت را تحت کنترل دارد.

 

 

 

• شیرهای حساس به تغییرات فشار ( Pressure compensated flow control valve):

در این نوع شیرها، اندازه گذرگاه به طور اتوماتیک نسبت به تغییرات فشار،تغییر می‌کند. در این شیرها یک مغزی توازن تعبیه شده است که به صورت فنری عمل می‌کند. این مغزی هنگامی که فشار مسیر ورودی بیشتر از فشار مسیر خروجی باشد، سطح گذرگاه سیال را کاهش می‌دهد. قابل ذکر است که زمانی که این شیر تنظیم شود، قسمت توازن به نحوی عمل می‌کند که اختلاف فشار در طرفین شیر را در میزان ثابتی نگه دارد.

نحوه عملکرد

در این شیر دو مغزی اصلی و توازن وجود دارد که پیچ تنظیم، وضعیت مغزی اصلی را کنترل می‌کند قابل ذکر است که وضعیت مغزی اصلی نیز درواقع تعیین کننده اندازه‌ی گذرگاه خروجی شیر می باشد. فشار مسیر ورودی شیر، از طریق مسیر پیلوت A به سمت چپ مغزی توازن انتقال می یابد. فشار مسیر خروجی شیر، از طریق مسیر پیلوت B به سمت راست مغزی توازن نیز منتقل می‌گردد.

وجود فنر در پشت مغزی توازن باعث می‌شود که این مغزی به طور کامل به طرف چپ رانده شود. در این وضعیت درواقع مغزی توازن، مسیر را کاملا باز نگه داشته است. در صورتی که فشار در مسیر ورودی شیر نسبت به مسیر خروجی افزایش یابد (یعنی افت فشار روی شیر زیاد شود)، مغزی توازن مقداری به راست جابه‌جا شده و فنر را می‌فشارد.

نتیجه:

افت فشار بر روی شیر و شدت جریان عبوری از شیر نیز تقریبا ثابت می‌ماند.انواع دیگری از شیرهای حساس به تغییرات فشار نیز وجود دارد. در بعضی از موارد به جای مغزی اصلی از یک پیچ سوزنی استفاده می‌کنند. اما کارکرد آنها مشابه یکدیگر است.

اجزاء شیرهای حساس به تغییرات فشار

در ادامه به معرفی اجزاء شیرهای حساس به تغییرات فشار نیز می پردازیم:

1. پیستون جبران کننده
2. اوریتس قابل تنظیم
3. عنصر حساس به دما
4. مغزی توازن
5. مسیر پیلوت A
6. مغزی اصلی
7. پیچ تنظیم
8. مسیر تخلیه
9. فنر توازن
10. مسیر پیلوت B

 

• شیرهای حساس به تغییرات دما (Temperature compensated flow control valve):

نیز عامل دیگری که ممکن است شدت جریان عبوری از یک فلو کنترل ولو را تحت تاثیر قرار دهد تغییرات دما می باشد، چرا که ویسکوزیته‌ی سیال با افزایش دما، کاهش یافته و درنتیجه سیال رقیق‌تر می‌شود. با توجه به اینکه سیال رقیق راحت‌تر از از گذرگاه تنگ شده عبور می‌کند، با افزایش حرارت، شدت جریان عبوری از شیر کنترل جریان نیز افزایش می‌یابد.

به منظور پیش‌گیری از این ایراد شیرهای کنترل حساس به دما نیز ساخته شده‌اند. در این نوع شیرها،  قطعه‌ای که به دما حساس است، وجود دارد که در صورت افزایش حرارت سیال، اندازه‌ی گذرگاه ورودی سیال را کاهش می دهد.

شیرهای گلویی

در صورتی که مقاومت شیر ثابت بماند نرخ جریان عبوری از گلویی به اختلاف فشار دو طرف آن بستگی دارد. به بیان دیگر می توان گفت شیر های گلویی و سوزنی در برابر جریان مقاومت می نمایند. که این مقاومت بستگی به سطح مقطع عبور سیال در شیر، شکل هندسی مجاری شیر و ویسکوزیته سیال دارد. هنگامی که سیال هیدرولیک از عامل ایجاد مقاومت در برابر جریان عبور می کند، افت فشار ناشی از اصطکاک و افزایش جریان سرعت نیز بوجود می آید.

قابل ذکر است که در شیر های گلویی جریانی که از گلویی عبور می کند به اختلاف فشار دو طرف آن بستگی دارد. به عبارت دیگر هر چه اختلاف فشار دو طرف گلویی بیشتر باشد جریان بیشتری از گلویی عبور می کند.شیرهای گلویی به دو دسته زیر نیز تقسیم می شوند:

1. وابسته به ویسکوزیته
2. مستقل از ویسکوزیته

1) شیر کنترل جریان وابسته به فشار و وابسته به فشار روغن که هرگاه تغییرات سرعت در مدار دارای اهمیت نباشد مورد استفاده قرا می گیرد.

2) شیر کنترل جریان وابسته به فشار و مستقل از ویسکوزیته روغن که هرگاه اهمیت مدار در سرعت یکنواخت باشد مورد استفاده قرار می گیرد.

 

در صورت کم بودن طول گلویی ، گرمای کمتری ناشی از اصطکاک بین ذرات سیال و دیواره گلویی به وجود می آید و باعث می شود که عبور جریان از گلویی باعث تغییرات ویسکوزیته نشود.

از شیر های گلویی در مدارهایی که در آن ها میزان بار ثابت است و یا تغییرات بار مهم نبوده و تاثیر منفی در عملکرد سیستم ندارد استفاده می کنند . به عنوان مثال بالابرهای هیدرولیک.

شیرهای گلویی قابل تنظیم

شیر های گلویی قابل تنظیم، بعنوان یک مقاومت هیدرولیکی نیز عمل می کنند. به وسیله این شیر می توان سرعت پیستون و شدت جریان حجمی را تحت تاثیر قرار داد. برتری این شیر با نوع ثابت آن در این است که روغن فشرده شده ای که از طریق گلوگاه خارج می شود، توسط پیچ قابل تنظیم می باشد. به عبارت دیگر می توان گفت با افزایش سطح گلوگاه، جریان بیشتری عبور کرده و با کم شدن سطح گلوگاه جریان کمتری عبور می نماید.

قابل ذکر است که در این نوع شیر مانند نوع ثابت آن شدت جریان حجمی موجود در این قسمت از مدار کمتر از مقدار تولیدی پمپ خواهد بود.

مقدار جریان حجمی که از شیر گلویی قابل تنظیم در ارتباط با  شیر محدود کننده فشار عبور می کند، به بزرگی گلوگاه شیر و نیز غلظت و اختلاف فشار در شیر گلویی وابسته می باشد.به طور کل می توانیم بگوییم که مقدار جریانی که از شیر گلویی قابل تنظیم عبور می کند بستگی شدید به فشار و ویسکوزیته دارد.

نکته:

• وابستگی به فشار بدین معنا است که اختلاف فشاری که در اثر مقطع گلوگاه پیش می آید، موجب تغییر شدت جریان حجمی تنظیم شده در شیر می گردد.
• وابستگی به ویسکوزیته (غلظت) بدین معنا است که در اثر حرارت، غلظت مایع فشرده تغییر پیدا کرده و در نتیجه شدت جریان حجمی آن نیز تغییر می کند.

کاربرد شیر گلویی قابل تنظیم

به دلیل آن که دقت ثابت بودن شدت جریان حجمی در این نوع شیرها به اختلاف فشار و غلظت آن نیز بستگی دارد. در نتیجه از شیرهای گلویی قابل تنظیم در سیستم های هیدرولیکی زمانی استفاده می کنیم که دقت شدت جریان حجمی مورد نظر نباشد.