تفاوت بین شیر هیدرولیک دو طرفه و سه طرفه چیست؟

انتخاب شیر هیدرولیک مناسب می تواند سیستم قدرت سیال شما را خراب یا خراب کند. اگر تا به حال در مقابل یک کاتالوگ شیر ایستاده اید و فکر می کنید که آیا به یک شیر دو طرفه یا سه طرفه نیاز دارید، تنها نیستید. این دو نوع شیر در مدارهای هیدرولیک به طور اساسی اهداف متفاوتی را دنبال می کنند و درک تفاوت های آنها باعث صرفه جویی در وقت، هزینه و خرابی های احتمالی سیستم می شود.

پاسخ اصلی ساده است: یک شیر دو طرفه دارای دو پورت است و جریان یا توقف سیال را کنترل می کند (عملکرد روشن/خاموش)، در حالی که یک شیر سه طرفه دارای سه پورت است و محل جریان سیال را کنترل می کند (عملکرد جهت). اما این تمایز ساده جزئیات مهندسی مهمی را پنهان می کند که تعیین می کند کدام شیر در برنامه شما تعلق دارد.

آشنایی با شیرهای کنترل جهت در سیستم های هیدرولیک

شیرهای کنترل جهتی به عنوان کنترل کننده های منطقی سیستم های هیدرولیک عمل می کنند. آنها تعیین می کنند که روغن هیدرولیک چه زمانی شروع به حرکت می کند، چه زمانی متوقف می شود و کدام مسیر را در مدار طی می کند. مهندسان اغلب این قطعات را شیرهای سوئیچینگ می نامند زیرا وضعیت مسیرهای جریان سیال را تغییر می دهند.

صنعت هیدرولیک از سیستم نامگذاری استاندارد شده بر اساس استانداردهای ISO استفاده می کند. دریچه‌هایی را می‌بینید که با فرمت X/Y برچسب‌گذاری شده‌اند، که در آن X تعداد پورت‌های کار و Y نشان‌دهنده تعداد موقعیت‌ها است. به عنوان مثال، یک شیر 4/3 دارای چهار پورت کار و سه موقعیت است. این سیستم نشانه گذاری پورت های کنترلی مانند اتصالات سیگنال پایلوت را حذف می کند و فقط پورت هایی را که جریان سیال اصلی را کنترل می کنند، محاسبه می کند.

تعداد موقعیت (Y) تعیین می کند که شیر چند الگوی اتصال جریان پایدار می تواند ارائه دهد. یک شیر 2/2 ساده کنترل روشن/خاموش اولیه را ارائه می دهد. یک شیر 3/2 قابلیت انحراف سیال را معرفی می کند. سوپاپ 4/3 پرکاربرد سیلندرهای دو اثره را با موقعیت مرکزی اختصاصی مدیریت می کند. همانطور که از 2/2 به 3/2 به 4/3 حرکت می کنید، لایه هایی از پیچیدگی کنترل را اضافه می کنید که با نیازهای پیچیده سیستم مطابقت دارد.

شیرهای هیدرولیک دو طرفه: جداسازی و کنترل جریان خطی

یک شیر دو طرفه به عنوان یک دروازه سیال ساده عمل می کند. دری را تصور کنید که باز یا بسته می شود تا جریان را از طریق یک مسیر واحد مسدود کند. این شیر دارای یک اتصال ورودی و یک اتصال خروجی است که در حالت باز یک مسیر جریان مستقیم و در زمان بسته یک انسداد کامل ایجاد می کند.

اکثر شیرهای دو طرفه از محرک برقی برای کنترل الکترومکانیکی استفاده می کنند. عنصر متحرک (معمولاً یک پاپت یا قرقره) بین دو موقعیت جابجا می شود: کاملاً باز یا کاملاً بسته. هیچ حد وسطی در عملکرد پایه شیر دو طرفه وجود ندارد.

وضعیت پیش فرض یک شیر دو طرفه برای ایمنی سیستم اهمیت قابل توجهی دارد. دریچه هایی که معمولاً بسته هستند (NC) جریان را هنگام قطع برق مسدود می کنند و برای باز شدن نیاز به برق دارند. این پیکربندی بر کاربردهای ایزوله سازی حیاتی از نظر ایمنی تسلط دارد. اگر برق قطع شود، یک شیر NC به طور خودکار بسته می شود و از جریان کنترل نشده سیال یا حرکت غیرمنتظره محرک جلوگیری می کند. این ویژگی ایمن خرابی، شیرهای NC را به انتخاب پیش‌فرض برای نقاط جداسازی تبدیل می‌کند.

دریچه‌های معمولاً باز (NO) برعکس عمل می‌کنند و در صورت قطع شدن جریان برق و بسته شدن نیاز به برق دارند. مهندسان دریچه‌های NO را کمتر انتخاب می‌کنند، معمولاً در کاربردهایی که حفظ جریان در طول افت توان، شرایط امن‌تری است.

کاربردهای اولیه برای شیرهای دو طرفه شامل عملکردهای جداسازی، تخلیه، اندازه گیری و اختلاط است. یک مورد خاص شیر چک است که در اصل یک شیر 2/2 است که به طور غیرفعال توسط فشار خط هدایت می شود. شیرهای چک اجازه جریان آزاد را در یک جهت می دهند و در عین حال جریان معکوس را مسدود می کنند، از پمپ ها محافظت می کنند و فشار را در شاخه های مدار خاص حفظ می کنند.

هنگام انتخاب یک شیر دو طرفه، مهندسان بر روی حداکثر دبی (که بر حسب گالن در دقیقه یا لیتر در دقیقه اندازه گیری می شود) و حداکثر فشار کاری (اندازه گیری شده با PSI یا بار) تمرکز می کنند. از آنجایی که این شیرها اغلب ایزوله را با نرخ جریان بالا انجام می دهند، به حداقل رساندن افت فشار در شیر باز بسیار مهم است. این نیاز بسیاری از طرح‌های دو طرفه را به سمت ساخت پاپت سوق می‌دهد، که بزرگترین منطقه جریان داخلی را با حداقل محدودیت فراهم می‌کند.

با این حال، شیرهای دو طرفه یک محدودیت ذاتی دارند: آنها نمی توانند بازگشت سیال به مخزن را بدون کمک خارجی مدیریت کنند. اگر از یک شیر دو طرفه برای کنترل یک سیلندر تک اثر استفاده می کنید، باید یک شیر تخلیه یا تخلیه جداگانه به مایع خروجی اضافه کنید. این محدودیت باعث می شود که شیر سه طرفه راه حل یکپارچه تری برای کنترل محرک باشد.

شیرهای هیدرولیک سه طرفه: کنترل جهت و مدیریت محرک

اضافه کردن یک پورت سوم یک شیر را از یک دروازه ساده به یک کنترل کننده ترافیک تبدیل می کند. یک شیر سه طرفه دارای سه پورت تخصصی است: فشار (P)، کار (A) و مخزن (T). کنوانسیون نامگذاری ISO این شیرها را به عنوان 3/2 (سه پورت، دو موقعیت) شناسایی می کند، به این معنی که شیر دو الگوی اتصال جریان مجزا را ارائه می دهد.

مزیت اساسی شیرهای سه طرفه در مدیریت مقصد سیال نهفته است. این شیرها سه عملکرد حیاتی را انجام می دهند: انحراف (مسیریابی یک ورودی به یکی از دو مقصد)، انتخاب (انتخاب بین دو ورودی تحت فشار برای تامین یک سیستم پایین دستی) و مخلوط کردن (ترکیب دو ورودی سیال در یک جریان خروجی ترکیبی).

رایج ترین کاربرد برای شیرهای کنترل جهت 3/2 مدیریت سیلندرهای هیدرولیک تک اثره است. این سیلندرها برای امتداد در یک جهت به فشار هیدرولیک متکی هستند و از فنر داخلی یا بار خارجی برای جمع شدن استفاده می کنند. شیر سه طرفه هر دو عملکرد را از طریق دو موقعیت خود هماهنگ می کند.

در موقعیت امتدادی، قرقره سوپاپ برای اتصال P به A جابجا می شود در حالی که T را جدا می کند. فشار در محفظه سیلندر افزایش می یابد و بر نیروی فنر یا بار غلبه می کند تا پیستون را به سمت بیرون حرکت دهد. هنگامی که سوپاپ به موقعیت تنظیم مجدد خود باز می گردد (معمولاً فنر برگشتی)، در حالی که P را جدا می کند، A را به T وصل می کند. فشار محفظه سیلندر از طریق درگاه T به مخزن تخلیه می شود و به فنر یا انرژی پتانسیل بار اجازه می دهد تا پیستون را به عقب براند در حالی که سیال را به مخزن منتقل می کند.

این کنترل یکپارچه منبع تغذیه و اگزوز چیزی است که یک سوپاپ 3 طرفه را از دو دریچه دو طرفه جداگانه به صورت سری جدا می کند. فعال سازی مطمئن مسیر A-to-T در موقعیت تنظیم مجدد شیر، نیاز عملکردی تعیین کننده است. بدون این مسیر اگزوز، مکانیسم جمع شدن بدون توجه به نیروی فنر نمی تواند کار کند. شیر 3 طرفه تضمین می کند که محرک می تواند با خیال راحت و سریع در هر شرایطی به موقعیت اولیه خود بازگردد.

در حالی که دریچه های کنترل جهت فشار بالا معمولاً از ساختار قرقره استفاده می کنند، عملکرد سه طرفه را می توان از طریق طراحی های چرخشی پورت L یا T-port نیز بدست آورد. این ساختارها به طور خاص برای مدیریت رفتار اختلاط و انحراف در مسیرهای سیال مناسب هستند.

از منظر سیستم، یک شیر 3 طرفه عملکرد دو شیر جداسازی 2/2 جداگانه را در یک جزء ترکیب می کند و هم تامین و هم بازگشت سیال را از طریق یک سیگنال کنترل واحد مدیریت می کند. این ادغام ساختاری در مقایسه با استفاده از چندین شیر دو طرفه برای انحراف یا کنترل تک عملکرد، مقرون به صرفه بودن را بهبود می بخشد و لوله کشی را ساده می کند.

مقایسه مستقیم: تفاوت های کلیدی بین شیرهای دو طرفه و سه طرفه

تمایز بین این انواع شیر فراتر از تعداد پورت ها و تفاوت های اساسی در توپولوژی کنترل و قابلیت مدیریت سیال است.

پورت مخزن اختصاصی (T) روی دریچه های سه طرفه برای رفع فشرده سازی مایع ضروری است. بدون این مسیر برگشت، سیلندرهای برگشت فنری نمی توانند کار کنند. در همین حال، شیرهای دو طرفه در نقش ساده‌تر خود برتری دارند: ایجاد یا حذف یک مسیر جریان با حداقل افت فشار و حداکثر یکپارچگی آب‌بندی.

برای کاربردهایی که نیاز به تغییر جهت سیال دارند مانند مدارهای بای پس یا کنترل محرک، یک شیر 3 طرفه به طور معمول در مقایسه با استفاده از دو یا چند دریچه ایزوله دو طرفه، صرفه اقتصادی و کارایی فضایی بالاتری دارد. برخی از شیرهای سه طرفه چند منظوره حتی می توانند با وصل کردن درگاه سوم استفاده نشده، به طور موقت به عنوان شیرهای دو طرفه عمل کنند، که موجودی قطعات یدکی و لجستیک تعمیر و نگهداری را ساده می کند.

استاندارد ISO 1219-1 نمادهای جهانی را برای سیستم های قدرت سیال ارائه می دهد. نمادهای گرافیکی فوراً تفاوت های عملکردی را نشان می دهند. نماد 2/2 یا یک خط مستقیم (باز) یا یک خط مسدود (بسته) را نشان می دهد. یک نماد 3/2 باید دو نمودار مسیر جریان داخلی کامل را در دو جعبه موقعیت خود نشان دهد، که قابلیت تغییر جهت آن را با مسیرهایی مانند P→ A و A→ T قابل مشاهده است.

نشتی کم برای نقش جداسازی شیرهای دو طرفه حیاتی است. شیرهای پاپت برای عملکردهای قطع ناگهانی و حیاتی مناسب تر هستند. سیستم 3 طرفه برای مدیریت انتقال سیال بین پورت ها به یک حالت گذار مختصر نیاز دارد که طرح های قرقره به طور طبیعی آن را در خود جای می دهند. نیروی محرک بالا برای ایزوله دو طرفه اختصاصی کار می کند اما برای کنترل پیچیده جهت گیری نامناسب است. طراحی قرقره امکان تراز کردن سه پورت مستقل (P، A، T) را در دو حالت در یک عنصر واحد فراهم می کند.

ساختارهای داخلی شیر: طراحی پاپت در مقابل طراحی قرقره

ساختار فیزیکی یک شیر (پاپت یا قرقره) مشخصه های عملکردی آن از جمله نشتی، سرعت و قابلیت نگهداری فشار را تعیین می کند. ساختارهای مختلف برای عملکردهای دو طرفه یا سه طرفه مناسب تر هستند.

دریچه‌های پاپت به یک عنصر آب‌بندی (دیسک یا مخروط) تکیه می‌کنند که محکم روی نشیمنگاه سوپاپ فشار می‌دهد تا یک مانع تقریباً کامل را تشکیل دهد. این ساختار یکپارچگی آب بندی عالی را فراهم می کند و شیرهای پاپت را برای کاربردهایی که نیاز به نگه داشتن فشار یا ایزوله مطلق دارند ایده آل می کند. نرخ نشت داخلی در شیرهای پاپت بسیار کم است. سکته مغزی کوتاه و حداقل انسداد مایع به شیرهای پاپت زمان پاسخ سریع و توانایی رسیدگی به نرخ جریان بالا را می دهد.

طرح‌های پاپت معمولاً متقاطع بسته را ارائه می‌کنند، به این معنی که در طول سوئیچ هیچ تعامل لحظه‌ای یا باز شدن همزمان بین مسیرهای سیال وجود ندارد. این ویژگی برای برنامه هایی که نیاز به کنترل دقیق دارند بسیار مهم است. با این حال، شیرهای پاپت معمولا نامتعادل هستند. فشار ورودی به آب بندی کمک می کند، اما اگر فشار منبع برداشته شود، فشار پایین دست ممکن است باعث باز شدن شیر شود. این باعث می شود که شیرهای پاپت برای کاربردهایی که نیاز به نگهداری طولانی مدت فشار پایین دست دارند نامناسب باشند. علاوه بر این، به دلیل اینکه باید بر کشش فنر و فشار سیال غلبه کنند، شیرهای پاپت معمولاً به نیروی محرک بالاتری برای شروع حرکت نیاز دارند.

دریچه های قرقره ای از یک شفت با چندین زمین آب بندی (پیستون) تشکیل شده اند که به صورت محوری در داخل بدنه سوپاپ حرکت می کنند. آب بندی متکی به تلورانس های دقیق ساخت و مهر و موم های پویا مانند حلقه های O است. ساخت قرقره ذاتاً برای مدیریت چندین اتصال به طور همزمان طراحی شده است، و آن را به یک نیاز ساختاری برای اجرای عملکردهای سیستم 3 طرفه (P, A, T) و پیچیده تر 4/3 یا 5/2 تبدیل می کند.

شیرهای قرقره زمان پاسخگویی ثابتی را ارائه می دهند و برای حفظ فشار پایین دست مناسب تر از شیرهای پاپت هستند. با این حال، به دلیل نیاز به مدیریت همزمان اتصالات و جداسازی بین چندین پورت، دریچه‌های قرقره دارای نشت داخلی ذاتی در زمین‌های قرقره هستند (مقدار کمی مایع در حال عبور بین پیستون قرقره و سوراخ بدنه). در مقایسه با آب بندی مثبت شیرهای پاپت، دریچه های قرقره معمولاً نرخ نشتی داخلی بالاتری دارند.

در موقعیت امتدادی، قرقره سوپاپ برای اتصال P به A جابجا می شود در حالی که T را جدا می کند. فشار در محفظه سیلندر افزایش می یابد و بر نیروی فنر یا بار غلبه می کند تا پیستون را به سمت بیرون حرکت دهد. هنگامی که سوپاپ به موقعیت تنظیم مجدد خود باز می گردد (معمولاً فنر برگشتی)، در حالی که P را جدا می کند، A را به T وصل می کند. فشار محفظه سیلندر از طریق درگاه T به مخزن تخلیه می شود و به فنر یا انرژی پتانسیل بار اجازه می دهد تا پیستون را به عقب براند در حالی که سیال را به مخزن منتقل می کند.

نشتی کم برای نقش جداسازی شیرهای دو طرفه حیاتی است. شیرهای پاپت برای عملکردهای قطع ناگهانی و حیاتی مناسب تر هستند. سیستم 3 طرفه برای مدیریت انتقال سیال بین پورت ها به یک حالت گذار مختصر نیاز دارد که طرح های قرقره به طور طبیعی آن را در خود جای می دهند. نیروی محرک بالا برای ایزوله دو طرفه اختصاصی کار می کند اما برای کنترل پیچیده جهت گیری نامناسب است. طراحی قرقره امکان تراز کردن سه پورت مستقل (P، A، T) را در دو حالت در یک عنصر واحد فراهم می کند.

انتخاب شیر مناسب: دستورالعمل های کاربردی

انتخاب شیر بهینه مستلزم ارزیابی عواملی فراتر از تعداد پورت و موقعیت است. مهندسان باید حداکثر سرعت جریان، حداکثر فشار کاری، الزامات مسیر سیال و روش تحریک را ارزیابی کنند.

به محدودیت های فشار توجه کنید، که اغلب در پورت ها متفاوت است. به عنوان مثال، نرخ فشار پورت برگشتی (T) معمولاً بسیار کمتر از پورت های کاری (A/B) یا فشار (P) است. در مشخصات یک سازنده، حداکثر فشار کاری پورت P 3625 PSI است در حالی که حداکثر درگاه T تنها 725 PSI است. نادیده گرفتن این تفاوت ها می تواند باعث خرابی سیستم یا ایجاد شرایط خطرناک شود.

یکپارچه‌سازی صحیح سیستم به اتصالات پورت استاندارد مانند پورت‌های O-ring SAE برای اطمینان از آب‌بندی قوی و بدون نشتی و جلوگیری از انسداد متکی است. از نامگذاری پورت استاندارد به طور مداوم استفاده کنید: P برای تامین فشار، T برای برگشت مخزن، و A/B برای پورت های کاری که به محرک ها متصل می شوند.

دریچه های دو طرفه (ترجیحاً ساخت پاپت) را برای نقاط جداسازی بحرانی، عملکردهای ایمنی خاموش، یا زمانی که نشتی داخلی بسیار کم و زمان پاسخ سریع نیازهای غیرقابل مذاکره هستند، انتخاب کنید. شیر دو طرفه یک عنصر اصلی کنترل جریان خطی است که مزیت آن در سادگی، قابلیت اطمینان و آب بندی قوی است.

شیرهای سه طرفه (ترجیحاً ساخت قرقره) را برای کنترل محرک های هیدرولیکی تک اثره، منحرف کردن مسیرهای سیال، یا سیستم هایی که نیاز به انتخاب/اختلاط جریان های ورودی دارند، انتخاب کنید. عملکرد کنترل یکپارچه P-A-T یک نیاز اصلی برای مدیریت محرک است که یک راه حل فشرده، اقتصادی و عملکردی کامل را ارائه می دهد.

نقش شیرهای 2/2 و 3/2 در سیستم های هیدرولیک متمایز و غیر قابل تعویض است. تفاوت بین آنها فقط یک پورت اضافی نیست، بلکه منطق سیستم و پیچیدگی مدیریت سیال آنها است. درک این تفاوت های اساسی تضمین می کند که سوپاپ مناسب برای برنامه خود را مشخص کنید، از طراحی مجدد پرهزینه و مشکلات عملکرد سیستم جلوگیری کنید.