راهنمای شیر کنترل جریان پنوماتیک

هنگامی که یک سیلندر پنوماتیک خیلی سریع حرکت می کند یا با حرکت لغزش دست و پنجه نرم می کند، راه حل معمولا در انتخاب و نصب مناسب شیر کنترل جریان است. یک شیر کنترل جریان پنوماتیک، جریان هوای فشرده را برای کنترل سرعت محرک تنظیم می‌کند و برای هر سیستم خودکاری که نیاز به زمان‌بندی دقیق حرکت دارد، ضروری است. برخلاف همتایان هیدرولیکی خود، این شیرها باید دینامیک سیال تراکم پذیر را کنترل کنند که در آن نسبت فشار و شرایط جریان صوتی اساساً ویژگی های کنترل را تغییر می دهند.

نحوه عملکرد شیرهای کنترل جریان پنوماتیک

تابع اصلی شامل ایجاد یک محدودیت متغیر در مسیر هوا است. وقتی هوای فشرده از روزنه باریک عبور می کند، انرژی فشار به انرژی جنبشی تبدیل می شود و افت فشاری ایجاد می کند که سرعت جریان پایین دست را کاهش می دهد. اما هوای فشرده رفتار متفاوتی نسبت به مایعات تراکم ناپذیر دارد و پیچیدگی هایی را ایجاد می کند که بر پایداری کنترل تأثیر می گذارد.

ویژگی های جریان تراکم پذیر

هنگامی که هوا از طریق یک محدودیت جریان می یابد، رابطه بین فشار بالادست ($P_1$) و فشار پایین دست ($P_2$) رژیم جریان را تعیین می کند. در افت فشار متوسط، جریان متناسب با اختلاف فشار افزایش می یابد. با این حال، هنگامی که نسبت فشار $P_2/P_1$ به زیر مقدار بحرانی (معمولاً حدود 0.528 برای هوا) می‌رسد، سرعت جریان در گلو به سرعت صوتی محلی می‌رسد. این وضعیت که جریان خفه یا جریان صوتی نامیده می شود، یک محدودیت اساسی را نشان می دهد.

در جریان خفه، کاهش بیشتر فشار پایین دست دیگر باعث افزایش سرعت جریان جرمی نمی شود. جریان به طور موثر با سرعت صوت از طریق آن اندازه روزنه "بیشینه" شده است. این پدیده فیزیکی ثبات ذاتی را در سیستم های پنوماتیکی فراهم می کند.

استاندارد ISO 6358 Flow Rating

مقادیر Cv هیدرولیک سنتی برای کاربردهای پنوماتیک کوتاه است زیرا بر اساس جریان آب تراکم ناپذیر است. استاندارد ISO 6358 با دو پارامتر به این موضوع می پردازد:

• رسانایی صوتی (C):حداکثر ظرفیت جریان در شرایط خفه، برحسب dm³/(s·bar) بیان می شود.
• نسبت فشار بحرانی (ب):نقطه انتقال بین جریان مادون صوت و جریان صوتی (معمولاً 0.2 تا 0.5).

معادلات جریان بر اساس این پارامترها عبارتند از:

برای جریان خفه شده وقتی $P_2/P_1 \le b$:

$$ Q = C \cdot P_1 \cdot K_t $$

برای جریان مادون صوت وقتی $P_2/P_1 > b$:

$$ Q = C \cdot P_1 \cdot K_t \cdot \sqrt{1 - \left(\frac{\frac{P_2}{P_1} - b}{1 - b}\راست)^2} $$

جایی که $K_t$ ضریب تصحیح دما است.

ساخت و ساز داخلی و اجزاء

یک کنترل کننده سرعت معمولی دو عملکرد را در یک بدنه جمع و جور ترکیب می کند: دریچه گاز و سوپاپ جهت.

مواد بدنه شیر:انتخاب بستگی به محیط دارد. برنج با آبکاری نیکل نیازهای عمومی کارخانه را برآورده می کند، در حالی که آلومینیوم آنودایز وزن را کاهش می دهد. فولاد ضد زنگ (304/316) برای مناطق شستشو ضروری است و پلاستیک های مهندسی (PBT) راه حل های سبک وزن مقرون به صرفه ای را ارائه می دهند.

طراحی سوپاپ سوزنی:در طراحی های با کیفیت بالا از نخ های ریز (10-15 چرخش) برای کنترل دقیق در محدوده 10-50 میلی متر بر ثانیه استفاده می شود. زاویه مخروطی بر منحنی مشخصه تأثیر می گذارد - مخروطی های خطی تغییرات متناسبی را ایجاد می کنند، در حالی که درصد مخروطی های مساوی کنترل دقیق تری را در دهانه های کم ارائه می دهند.

پیکربندی شیر چک:شیر چک یکپارچه اجازه جریان آزاد را به صورت معکوس می دهد. انواع لب بند فشرده هستند اما ممکن است در فشار کم نشت کنند. انواع توپ یا پاپت خاموشی محکم تری دارند اما به فضای بیشتری نیاز دارند.

راهبردهای کنترل کنتور ورودی در مقابل کنتور خروجی

موقعیت نصب اساساً بر رفتار سیستم تأثیر می گذارد. این تمایز بیش از هر جنبه دیگری از کنترل جریان پنوماتیک باعث مشکلات میدانی می شود.

کنترل خروجی متر (محدودیت اگزوز)

در این پیکربندی، سوپاپ برگشت جریان آزاد را به داخل سیلندر می دهد در حالی که سوزن خروج هوای خروجی از محفظه مقابل را محدود می کند. اصل کار یک بالشتک فشار ایجاد می کند. همانطور که پیستون حرکت می کند، هوای خروجی فشار برگشتی ایجاد می کند، سفتی را بهبود می بخشد و از لغزش چوب جلوگیری می کند.

کنتور ورودی (محدودیت عرضه)

در اینجا سوزن هوای ورودی را محدود می کند در حالی که خروجی اگزوز آزادانه دریچه می شود. این اغلب منجر به حرکت ناپایدار ("تکان") می شود زیرا فشار محفظه تامین با افزایش حجم کاهش می یابد و باعث می شود پیستون تا زمانی که فشار دوباره ساخته شود متوقف شود.

مقایسه ویژگی های کنترل

مشخصه	خروجی متر (اگزوز)	کنتور ورودی (تامین)
یکنواختی حرکت	عالی (جلوگیری از لغزش)	ضعیف (مستعد تکان خوردن)
حمل و نقل بار	میرایی خوب برای بارهای بیش از حد	خطر فرار با بارهای ثقلی
ثبات سرعت	بالا (اثر کوسن)	متغیر (بستگی به عرضه دارد)
بهترین برنامه های کاربردی	سیلندرهای دو کاره	سیلندرهای تک اثره

فرآیند انتخاب و اندازه گیری دریچه

اندازه مناسب از شیرهای کم اندازه که نیروی محرک را محدود می کنند و دریچه های بزرگ که وضوح کنترل سرعت را قربانی می کنند، جلوگیری می کند.

با محاسبه دبی مورد نیاز بر اساس مشخصات سیلندر شروع کنید:

$$ Q = \frac{A \cdot L \cdot 60}{t} $$

جایی که $A$ مساحت پیستون (cm²)، $L$ طول کورس (سانتی متر)، و $t$ زمان ضربه (ثانیه) است.

افت فشار:افت فشار در سراسر شیر را به 0.5-1.0 بار در جریان نامی محدود کنید. افت بیشتر انرژی را هدر می دهد. افت بسیار کم نشان دهنده یک دریچه بزرگ با وضوح ضعیف است.

نصب و عیب یابی

شیر کنترل جریان را تا حد عملی نزدیک به درگاه سیلندر نصب کنید. لوله‌های طولانی حجمی قابل تراکم ایجاد می‌کنند که به‌عنوان فنر هوا عمل می‌کند و پاسخی تخریب‌کننده دارد.

تنظیم اولیه:با 3-4 نوبت باز کردن سوزن شروع کنید. اگر لغزش رخ داد، کنترل کنتور خروجی را بررسی کنید. اگر حرکت خیلی سریع است، به تدریج با افزایش یک چهارم چرخش ببندید.

سناریوهای رایج عیب یابی

علامت	علت احتمالی	راه حل
حرکت تند (چوب-لغزش)	کنترل کنتور بر روی سیلندر دو اثره	پیکربندی مجدد به اندازه گیری
سرعت در اواسط ضربه تغییر می کند	نوسان فشار عرضه	رگولاتور اختصاصی را نصب کنید
بدون کنترل سرعت	آلودگی یا شکستگی سوزن	بازرسی فیلتر؛ شیر را تعویض کنید
سیلندر پس از توقف حرکت می کند	نشتی داخلی شیر چک	تعویض شیر؛ آلودگی را بررسی کنید

نگهداری و عمر سرویس

شیرهای کنترل جریان پنوماتیک به عنوان اجزای کم تعمیر و نگهداری واجد شرایط هستند، اما بازرسی منظم از خرابی های غیرمنتظره جلوگیری می کند.

همانطور که سیستم های صنعتی تکامل می یابند، کنترل جریان پنوماتیک با ترکیب حسگرها و اتصال شبکه سازگار می شود. در حالی که محرک های الکتریکی نوظهور دقت را ارائه می دهند، پنوماتیک برای کاربردهای با سرعت بالا، ضربه کوتاه، اتمسفرهای انفجاری و محیط های شستشو که در آن تحمل اضافه بار قوی لازم است، برتر باقی می مانند.