هر قسمت از شیر پنوماتیک چه کاری انجام می دهد و چگونه با هم کار می کند؟

دریچه های پنوماتیک اجزای تصمیم‌گیری سیستم‌های هوای فشرده هستند - آنها تعیین می‌کنند که چه زمانی هوا، در کدام جهت، با چه فشاری و به کدام محرک یا مدار جریان دارد. دریچه پنوماتیکی که از کار بیفتد یا عملکرد ضعیفی نداشته باشد فقط بر یک عملکرد تأثیر نمی گذارد. کل توالی عملیات پایین دست را مختل می کند. درک نحوه عملکرد هر بخش داخلی یک شیر پنوماتیک، چرایی طراحی آن به شکلی که هست، و نحوه تعامل همه اجزاء یک دانش ضروری برای هر کسی است که سیستم‌های پنوماتیکی را مشخص، نگهداری یا عیب‌یابی می‌کند. این مقاله آناتومی دریچه های پنوماتیک را از داخل به بیرون بررسی می کند و عملکرد و منطق مکانیکی هر جزء کلیدی را پوشش می دهد.

بدنه شیر: ساختار، چیدمان پورت و ملاحظات مواد

بدنه شیر پایه ساختاری کل مجموعه است - محفظه ای با ماشینکاری دقیق که شامل تمام اجزای داخلی است، اتصالات پورت به مدار پنوماتیک را فراهم می کند و ثبات ابعادی را تحت چرخه فشار و تغییرات دما حفظ می کند. در شیرهای کنترل جهت، بدنه شامل سوراخی است که قرقره یا پاپپت از آن عبور می کند، درگاه ورودی (تامین فشار)، پورت های کار (اتصال به محرک ها) و درگاه های اگزوز. هندسه این پورت ها - قطر، فاصله و زوایای تقاطع آنها در بدنه - ظرفیت جریان شیر را که به صورت ضریب Cv بیان می شود و ویژگی های افت فشار آن را تعیین می کند.

بدنه‌های شیر برای پنوماتیک‌های صنعتی عمومی معمولاً از آلیاژ آلومینیوم ساخته می‌شوند که ترکیبی عالی از وزن سبک، ماشین‌کاری، مقاومت در برابر خوردگی و هدایت حرارتی را ارائه می‌دهد. برای کاربردهای با فشار بالاتر (بالاتر از 10 بار)، بدنه های فولادی ضد زنگ یا چدن شکل پذیر استفاده می شود. پوشش سطح سوراخ داخلی بسیار مهم است - باید به اندازه کافی صاف باشد تا به قرقره یا پیستون اجازه دهد تا آزادانه با حداقل اصطکاک حرکت کند، در حالی که تحمل ابعادی کافی برای جلوگیری از نشت داخلی بیش از حد بین پورت ها حفظ شود. فاصله معمولی سوراخ به قرقره در شیرهای پنوماتیک بین 5 تا 15 میکرومتر است و مقادیر زبری سطح 0.4 میکرومتر یا بهتر در شیرهای دقیق استاندارد است. رزوه های پورت باید با استانداردهای شناخته شده - G (BSP)، NPT، یا متریک - مطابقت داشته باشند تا از اتصالات مطمئن و بدون نشتی به لوله مدار یا منیفولد اطمینان حاصل شود.

قرقره: چگونه کنترل جهت به صورت مکانیکی به دست می آید

در اکثر شیرهای پنوماتیکی کنترل جهت، قرقره عنصر اصلی هدایت جریان است. این یک جزء استوانه ای است که به صورت محوری در داخل سوراخ بدنه سوپاپ می لغزد و موقعیت آن تعیین می کند که کدام پورت ها به یکدیگر متصل شده و کدام یک مسدود شده اند. قطر بیرونی قرقره با یک سری زمین‌ها - بخش‌های استوانه‌ای برجسته که روی دیوار سوراخ می‌بندند - و شیارهایی بین زمین‌هایی که گذرگاه‌های جریان را تشکیل می‌دهند، ماشینکاری می‌شود. هنگامی که قرقره به یک موقعیت حرکت می کند، زمین ها درگاه های خاصی را مسدود می کنند در حالی که شیارها سایر پورت ها را به هم متصل می کنند. هنگامی که قرقره به موقعیت مخالف تغییر می کند، ترکیب متفاوتی از اتصالات برقرار می شود.

تعداد موقعیت ها و تعداد پورت ها تعیین کننده عملکرد شیر است. یک شیر 5/2 دارای پنج پورت و دو موقعیت قرقره است. یک سوپاپ 5/3 دارای پنج پورت و سه موقعیت است (موقعیت مرکزی یک رفتار حالت خنثی خاص - مرکز باز، مرکز بسته یا مرکز فشار - بسته به مشخصات قرقره ارائه می‌کند). مشخصات زمین قرقره صرفاً یک آرایش هندسی نیست. این یک راه حل مهندسی شده برای الزامات خاص توالی جریان است. قرقره های زیرپوش دار (جایی که عرض شیار کمی از عرض درگاه بیشتر می شود) دوره کوتاهی را ایجاد می کند که در آن هر دو درگاه تغذیه و اگزوز به طور همزمان در طول حرکت قرقره به هم متصل می شوند و حرکت آرام و تدریجی محرک را ایجاد می کنند. قرقره های همپوشانی (جایی که زمین قبل از باز شدن درگاه بعدی، بندر را به طور کامل می پوشاند) در حین جابجایی یک منطقه مرده کوتاه ایجاد می کند که از افزایش فشار جلوگیری می کند و در کاربردهایی که موقعیت دقیق محرک ضروری است ترجیح داده می شود.

محرک های برقی: تبدیل سیگنال های الکتریکی به حرکت مکانیکی

شیر برقی رابط الکترومکانیکی بین سیستم کنترل و شیر پنوماتیکی است - سیگنال الکتریکی را از یک PLC، رله یا سنسور به نیروی مکانیکی تبدیل می کند که قرقره یا پاپت را جابجا می کند. شیر برقی شامل یک سیم پیچ سیم مسی است که به دور یک بوبین، یک پوسته فولادی بیرونی که مدار مغناطیسی را تشکیل می دهد و یک هسته فرومغناطیسی متحرک به نام پیستون یا آرمیچر. هنگامی که جریان الکتریکی از سیم پیچ عبور می کند، میدان مغناطیسی ایجاد می کند که پیستون را به سمت مرکز سیم پیچ جذب می کند و نیروی خطی تولید می کند که بر روی قرقره یا مکانیزم پیلوت دریچه عمل می کند.

شیر برقی مستقیم

در شیرهای برقی مستقیم، پیستون برقی مستقیماً با قرقره یا پاپت تماس می گیرد و بدون هیچ مرحله پیلوت میانی، آن را حرکت می دهد. این پیکربندی زمان‌های پاسخ سریع (معمولاً 5 تا 20 میلی‌ثانیه) را تولید می‌کند و می‌تواند در فشارهای ورودی بسیار کم کار کند - از جمله نوار صفر، که باعث می‌شود دریچه‌های مستقیم برای کاربردهای خلاء که دریچه‌های پایلوت کار نمی‌کنند، مناسب باشند. محدودیت شیرهای برقی مستقیم اثر نیرو است: نیروی مغناطیسی موجود از یک سیم پیچ فشرده محدود است، بنابراین دریچه های مستقیم اثر معمولاً به اندازه روزنه های کوچک (معمولا تا DN6 یا DN8) و ظرفیت های جریان کمتر محدود می شوند. تلاش برای استفاده از یک شیر برقی با اثر مستقیم در یک دریچه جریان بالا با سوراخ بزرگ به یک سیم پیچ غیرعملی بزرگ نیاز دارد.

شیر برقی که توسط خلبان کار می کند

شیرهای برقی که توسط خلبان کار می کنند از یک شیر برقی مستقیم کوچک برای کنترل سیگنال هوای خلبان استفاده می کنند که به نوبه خود یک پیستون یا قرقره اصلی بزرگتر را با استفاده از فشار هوای خود سیستم به عنوان نیروی محرک به حرکت در می آورد. این آرایش دو مرحله ای به یک سیم پیچ برقی نسبتاً کوچک اجازه می دهد تا دریچه هایی با ظرفیت جریان بسیار بزرگتر از آنچه که با تحریک مستقیم امکان پذیر است را کنترل کند. مبادله حداقل فشار عملیاتی مورد نیاز است - معمولاً 1.5 تا 3 بار - که زیر آن فشار پایلوت برای جابجایی قابل اطمینان مرحله اصلی کافی نیست. شیرهای پایلوت انتخاب استاندارد برای کاربردهای کنترل جهت جریان بالا در پنوماتیک صنعتی هستند، جایی که فشار سیستم همیشه بالاتر از آستانه تحریک پایلوت است.

مکانیسم‌های برگشت: فنرها، گیره‌ها و شیر برقی دوبل

هر شیر جهتی پنوماتیکی باید مکانیزمی داشته باشد که وقتی سیگنال محرک حذف می شود، قرقره را به یک موقعیت مشخص حرکت می دهد. سه مکانیسم بازگشت اصلی - بازگشت فنر، مهار و شیر برقی دوگانه - هر کدام رفتارهای اساسی متفاوتی را ایجاد می کنند که باید با الزامات ایمنی و عملیاتی برنامه مطابقت داشته باشد.

• بازگشت بهار: هنگامی که برق شیر برقی قطع می شود، یک فنر فشاری، قرقره را به حالت استراحت تعریف شده خود برمی گرداند. دریچه‌های برگشت فنری طرح‌های تک شیر برقی هستند - انرژی دادن به سیم پیچ، قرقره را در مقابل فنر قرار می‌دهد. انرژی زدایی به فنر اجازه می دهد آن را برگرداند. نیروی فنر باید از حداکثر نیروی اصطکاک و جریانی که بر روی قرقره اعمال می‌شود تجاوز کند تا از بازگشت قابل اطمینان تحت هر شرایط کاری اطمینان حاصل شود. دریچه‌های برگشت فنری انتخاب پیش‌فرض برای اکثر کاربردهای صنعتی هستند، زیرا آنها یک حالت ایمن تعریف شده و قابل پیش‌بینی را ارائه می‌کنند: در صورت از دست دادن توان الکتریکی یا سیگنال کنترل، شیر به موقعیت فنری خود باز می‌گردد و محرک متصل به حالت استراحت خود باز می‌گردد.
• بازگشت بازداشت: مکانیسم‌های مهارکننده از یک توپ یا پین با فنر استفاده می‌کنند که بریدگی‌هایی را در قرقره درگیر می‌کند و بعد از هر جابجایی بدون نیاز به نیروی الکتریکی مداوم، آن را به صورت مکانیکی در موقعیت خود قفل می‌کند. یک سیگنال لحظه ای قرقره را به موقعیت جدید منتقل می کند، جایی که گیره آن را نگه می دارد. یک سیگنال لحظه ای دیگر آن را به عقب منتقل می کند. دریچه‌های نگهدارنده در جایی استفاده می‌شوند که شیر باید موقعیت خود را از طریق قطع برق بدون بازگشت به موقعیت فنر حفظ کند - به عنوان مثال، در مکانیسم‌های بستن یا قفل که از دست دادن توان الکتریکی نباید باعث آزاد شدن گیره شود.
• شیر برقی دوبل: دو شیر برقی، یکی در هر انتهای قرقره، آن را در جهت مخالف تغییر می دهند. قرقره در موقعیت آخرین فرمان خود (موقعیت حافظه) باقی می ماند تا زمانی که شیر برقی مخالف برق دار شود. برخلاف مکانیسم‌های بازدارنده، نیروی نگه‌دارنده توسط اصطکاک خود قرقره در سوراخ ایجاد می‌شود تا یک قفل مکانیکی، بنابراین شیر را می‌توان با یک پالس الکتریکی کوتاه به عقب جابجا کرد. شیرهای برقی دوگانه در کاربردهایی استفاده می‌شوند که به شیر نیاز دارند تا موقعیت خود را از طریق وقفه‌های کوتاه سیستم کنترل حفظ کند و در عین حال به تغییرات دستوری پاسخ دهد.

مهر و موم و نقش حیاتی آنها در عملکرد سوپاپ

مهر و موم اجزایی هستند که اغلب مسئول خرابی شیر پنوماتیک در سرویس هستند و درک عملکرد آب بند و انتخاب مواد هم برای تعیین شیرهای جدید و هم برای تشخیص خرابی در شیرهای موجود ضروری است. دریچه‌های پنوماتیکی در مکان‌های متعددی از آب‌بند استفاده می‌کنند که هر کدام نیاز مکانیکی متفاوتی دارند.

NBR (لاستیک نیتریل بوتادین) ماده آب بندی استاندارد برای پنوماتیک های صنعتی عمومی است که بین -20 درجه سانتیگراد تا 80 درجه سانتیگراد با هوا یا نیتروژن به عنوان محیط کار کار می کند. EPDM مشخص می‌شود که دریچه در معرض بخار، آب داغ یا کتون‌ها و استرهای خاصی قرار می‌گیرد که NBR را تجزیه می‌کنند. FKM (Viton) برای کاربردهای با دمای بالا بالای 100 درجه سانتیگراد یا جاهایی که منبع هوا حاوی آثاری از مایع هیدرولیک یا حلالهای معطر است مورد نیاز است. مهر و موم سیلیکونی در برنامه های غذایی و دارویی استفاده می شود زیرا سیلیکون برای تماس تصادفی با مواد غذایی تایید شده است و در دماهای بسیار پایین انعطاف پذیر باقی می ماند. انتخاب ترکیب نادرست آب بند یکی از شایع ترین علل خرابی زودرس دریچه است - آب بند متورم، سخت یا ترک می خورد که باعث نشتی داخلی یا چسبیدن قرقره می شود که عملکرد سوپاپ را مدت ها قبل از شکست کامل کاهش می دهد.

دریچه های پاپت در مقابل شیرهای قرقره: منطق داخلی متفاوت برای کاربردهای مختلف

همه شیرهای پنوماتیکی از یک قرقره کشویی به عنوان عنصر اصلی کنترل جریان استفاده نمی کنند. دریچه‌های پاپت از دیسک یا توپی استفاده می‌کنند که توسط نیروی فنر روی صندلی شکلی فشرده می‌شود، با فشار شیر برقی یا پیلوت، پاپپت را از روی صندلی بلند می‌کند تا جریان جریان پیدا کند. دریچه های پاپت یک مزیت اساسی نسبت به شیرهای قرقره ای در کاربردهایی دارند که نیاز به نشتی داخلی صفر یا نزدیک به صفر دارند: درزگیر الاستومری روی صفحه پاپت با بار فشاری با صندلی فلزی تماس پیدا می کند و یک خاموشی مثبت ایجاد می کند که دریچه قرقره - که به جای آب بندی مثبت به جاهای خالی کوچک متکی است - نمی تواند مطابقت داشته باشد. این باعث می‌شود که شیرهای پاپت برای کاربردهایی که حتی مقادیر کمی از نشتی داخلی غیرقابل قبول هستند، مانند مدارهای نگهدارنده خلاء، سیستم‌های کنترل فشار دقیق، و شیرهای خاموش کننده ایمنی، انتخاب ارجح باشند.

معاوضه این است که شیرهای پاپت معمولاً به پیکربندی های دو طرفه (روشن/خاموش) یا سه طرفه (دیورتر) محدود می شوند. قابلیت سوئیچینگ چند پورت یک شیر قرقره - اتصال هر پورت به هر پورت دیگر در یک دنباله خاص - از نظر هندسی با مکانیزم پاپت به سختی می‌توان به دست آورد. اکثر مدارهای پنوماتیکی که به کنترل جهت 4/2 یا 5/3 نیاز دارند از شیرهای قرقره ای استفاده می کنند، در حالی که شیرهای پاپت برای عملکردهای ایزوله، بررسی و کنترل دقیق جریان در همان مدار استفاده می شوند.

عناصر کنترل جریان: سوپاپ های سوزنی و شیرهای چک در مدار

در حالی که شیرهای کنترل جهت تعیین می کنند که هوا کجا می رود، دریچه های کنترل جریان تعیین می کنند که چقدر سریع به آنجا می رسد. دریچه‌های سوزنی محدودکننده‌های دهانه قابل تنظیم هستند - یک سوزن مخروطی که اپراتور به داخل یک نشیمنگاه مخروطی جلو می‌رود یا از آن جمع می‌شود و ناحیه موثر دهانه و در نتیجه سرعت جریان در شیر را تغییر می‌دهد. در مدارهای پنوماتیکی، شیرهای سوزنی تقریباً همیشه در ترکیب با یک شیر چک یکپارچه برای ایجاد مجموعه کنترل جریان ورودی یا خروجی استفاده می‌شوند. در پیکربندی متری خروجی، سوزن جریان هوا را محدود می‌کند که محرک را در جریان خروجی اگزوز قرار می‌دهد و سرعت محرک را با فشار دادن هوایی که باید خارج کند، کنترل می‌کند. سوپاپ برگشت سوزن را در مسیر تغذیه دور می زند تا جریان کامل برای گسترش یا جمع کردن محرک با سرعت کامل در دسترس باشد. کنترل خروجی متر برای اکثر کاربردهای کنترل سرعت محرک صنعتی ترجیح داده می شود زیرا تحت بارهای متغیر حرکت نرم تر و پایدارتری ایجاد می کند.

شیرهای چک در مدارهای پنوماتیک به عنوان دروازه های جریان یک طرفه عمل می کنند - آنها اجازه می دهند هوا آزادانه در یک جهت عبور کند و جریان را به طور کامل در جهت معکوس مسدود می کند. مکانیزم شیر برگشتی از نظر مکانیکی ساده است: یک توپ، دیسک، یا پاپت که با نیروی فنر در برابر صندلی نگه داشته می‌شود، با فشار جریان رو به جلو از صندلی بلند می‌شود، و هنگامی که جریان معکوس می‌شود، توسط فنر به‌علاوه فشار برگشتی مجدداً قرار می‌گیرد. علیرغم سادگی، شیرهای چک عملکردهای حیاتی را در سیستم‌های پنوماتیکی انجام می‌دهند: آنها موقعیت محرک را زمانی که شیر جهت در حالت خنثی است حفظ می‌کنند، از جریان برگشتی از طریق خطوط تغذیه پایلوت جلوگیری می‌کنند و از اجزای مولد فشار در برابر افزایش فشار معکوس در هنگام خاموش شدن سیستم محافظت می‌کنند.

تشخیص خرابی قطعات شیر پنوماتیک از روی علائم

درک نحوه عملکرد هر بخش دریچه، چارچوب تشخیصی مورد نیاز برای شناسایی خرابی ها از علائم قابل مشاهده را فراهم می کند. بیشتر خرابی‌های دریچه‌های پنوماتیکی به تعداد کمی از علل ریشه‌ای نسبت داده می‌شوند که هر کدام یک الگوی علائم مشخص را ایجاد می‌کنند.

• چسبیدن قرقره یا جابجایی کند: معمولاً ناشی از روان کننده آلوده یا تخریب شده روی سوراخ قرقره، آب بندی قرقره متورم به دلیل ناسازگاری شیمیایی، یا آلودگی ذرات ناشی از هوای تغذیه ناکافی فیلتر شده است. چسبیدن قرقره باعث ایجاد حرکت آهسته یا ناقص محرک می شود و در صورتی که نیروی برقی برای غلبه بر اصطکاک افزایش یافته کافی نباشد، می تواند باعث شود سوپاپ اصلا جابجا نشود. درمان شامل جداسازی قطعات، تمیز کردن سطوح سوراخ و قرقره، تعویض مهر و موم ها در صورت متورم شدن، و بررسی آماده سازی هوا در بالادست دریچه است.
• نشت مداوم هوا در درگاه اگزوز: نشان‌دهنده نشتی داخلی پس از مهر و موم زمین قرقره یا سوراخ فرسوده قرقره است. مقدار کمی نشتی در اگزوز در بسیاری از کاربردها قابل تحمل است، اما نشان می دهد که سوپاپ به پایان عمر خود نزدیک می شود. نشتی قابل توجه باعث خزش یا از دست دادن موقعیت محرک متصل تحت بار می شود و باید با تعویض یا بازسازی سوپاپ برطرف شود.
• سوپاپ جابجا می شود اما محرک حرکت نمی کند یا به کندی حرکت می کند: به‌جای خرابی داخلی شیر، به مشکل محدودیت جریان اشاره می‌کند - یک پورت مسدود شده یا کوچک‌تر، یک شیر سوزنی کنترل جریان بیش از حد بسته شده است، یا یک خط تغذیه پیچ خورده. بررسی کنید که درجه Cv شیر برای تقاضای جریان محرک کافی است و همه اتصالات خارجی شفاف و با اندازه صحیح هستند.
• شیر برقی انرژی می دهد اما سوپاپ جابجا نمی شود: در یک شیر مستقیم، این نشان دهنده یک سیم پیچ سوخته، یک پیستون شکسته یا یک قرقره است که به طور مکانیکی در اثر آلودگی گیر کرده است. در شیری که با پایلوت کار می‌کند، ممکن است نشان‌دهنده این باشد که فشار پایلوت کمتر از حداقل مورد نیاز برای جابجایی است - قبل از فرض خرابی شیر برقی، فشار منبع را با مشخصات حداقل فشار پایلوت شیر ​​بررسی کنید.
• سوپاپ به درستی جابجا می شود اما به کندی یا ناقص برمی گردد: دریچه‌های برگشت فنری که به آرامی برمی‌گردند یا در موقعیت بازگشت کامل متوقف می‌شوند، دارای فنر برگشت ضعیف، مهر و موم قرقره با اصطکاک بیش از حد، یا وضعیت فشار معکوس در خط اگزوز پایلوت هستند. بررسی کنید که پورت اگزوز خلبان توسط یک منیفولد معمولی اگزوز که بالاتر از فشار اتمسفر کار می کند محدود یا تحت فشار معکوس قرار نگیرد.