مقدمه ای بر اصل کار، کاربرد و انواع شیرهای برقی پنوماتیکی

I. عملکرد اصلیشیر برقی
شیر برقی، به عنوان یک جزء کلیدی برای تبدیل الکتریکی{0}}نیوماتیک، مسئولیت تبدیل موثر سیگنال های الکتریکی به سیگنال های پنوماتیک را بر عهده دارد. پس از دریافت دستورالعمل کنترل، شیر برقی می تواند دقیقاً جهت جریان هوای فشرده را آزاد کند، متوقف کند یا تغییر دهد، در نتیجه عملکردهای متعددی از جمله کنترل جهت عمل مولفه محرک پنوماتیک، کنترل کمیت سوئیچ ON/OFF، و کنترل منطقی AND OR/NOT/AND را انجام می دهد. در میان انواع مختلف شیرهای برقی، شیر کنترل جهت کنترل الکترومغناطیسی موقعیت اصلی را دارد و نقش مهمی ایفا می کند.

دوم اصل کار شیر کنترل جهت کنترل الکترومغناطیسی
در سیستم های پنوماتیکی، شیر کنترل جهت کنترل الکترومغناطیسی نقش مهمی ایفا می کند. وظیفه کنترل باز و بسته شدن کانال جریان هوا یا تغییر جهت جریان هوای فشرده را بر عهده دارد. اصل کار اصلی آن بر نیروی الکترومغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ الکترومغناطیسی متکی است. این نیرو هسته سوپاپ را به سمت سوئیچ سوق می دهد و در نتیجه به هدف معکوس کردن جریان هوا دست می یابد. با توجه به روش های مختلفی که قسمت کنترل الکترومغناطیسی شیر کنترل جهت را فشار می دهد، شیرهای کنترل جهت کنترل الکترومغناطیسی را می توان به دو نوع تقسیم کرد: مستقیم-عملی و آزمایشی-. دریچه‌های برقی مستقیم{7}}مستقیماً از نیروی الکترومغناطیسی برای به حرکت درآوردن هسته سوپاپ به جهت معکوس استفاده می‌کنند، در حالی که دریچه‌های کنترل جهتی پایلوت{8} بر فشار هوای خلبان تولید شده توسط شیر خلبان الکترومغناطیسی برای به حرکت درآوردن هسته شیر برای رسیدن به معکوس تکیه می‌کنند.

شکل 1 یک نمای مقطعی ساده از یک شیر برقی 3/2 (سه جهته دو-وضعیت) مستقیم- (نوع معمول باز) و اصل کار آن را نشان می دهد. هنگامی که سیم پیچ برق می گیرد، هسته آهنی استاتیک نیروی الکترومغناطیسی تولید می کند و این نیرو باعث می شود که هسته شیر به سمت بالا حرکت کند. با بالا آمدن هسته سوپاپ، واشر بلند می شود، بنابراین درگاه های 1 و 2 وصل می شوند و درگاه های 2 و 3 جدا می شوند. در این مرحله، سوپاپ در حالت ورودی است و می تواند حرکت سیلندر را کنترل کند. هنگامی که برق قطع شد، هسته شیر برای بازگشت به حالت اولیه خود به نیروی بازیابی فنر تکیه می کند، یعنی درگاه های 1 و 2 قطع می شوند در حالی که پورت های 2 و 3 وصل هستند. به این ترتیب سوپاپ در حالت اگزوز قرار می گیرد.

شکل 2 یک نمای مقطعی ساده از شیر برقی 5/2 (پنج جهت دو-وضعیت) مستقیم- (نوع معمول باز) و اصل کار آن را نشان می دهد. در حالت اولیه، ورودی هوا از طریق درگاه‌های 1 و 2 انجام می‌شود، در حالی که خروجی اگزوز از طریق درگاه‌های 4 و 5 انجام می‌شود. وقتی سیم‌پیچ برق می‌شود، هسته آهنی ساکن نیروی الکترومغناطیسی تولید می‌کند. این نیرو سوپاپ پایلوت را به کار می اندازد و سپس هوای فشرده از طریق مسیر هوا وارد پیستون پایلوت دریچه می شود و باعث شروع به کار پیستون می شود. در وسط پیستون، سطح دایره ای آب بندی کانال را باز می کند. در این زمان، هوا از پورت های 1 و 4 وارد می شود، در حالی که هوا از درگاه های 2 و 3 تخلیه می شود. پس از قطع برق، شیر پایلوت برای بازگشت به حالت اولیه خود به نیروی بازگرداندن فنر تکیه می کند.
در ادامه، بیایید در مورد عملکرد شیر برقی صحبت کنیم. عملکرد یک شیر الکترومغناطیسی با دو عدد نشان داده می شود: M و N که به آن شیر الکترومغناطیسی موقعیت M-مسیر N-می گویند. در میان آنها، "موقعیت N" نشان دهنده موقعیت سوئیچینگ شیر کنترل جهت، یعنی وضعیت شیر ​​است. تعداد موقعیت های سوپاپ مقدار N است. به عنوان مثال، یک شیر دو موقعیت دارای دو گزینه موقعیت است، یعنی دارای دو حالت است. شیر سه موقعیت دارای سه گزینه موقعیت است، یعنی سه حالت مختلف وجود دارد. "مسیر M" تعداد رابط های خارجی دریچه، از جمله ورودی هوا، خروجی هوا و درگاه خروجی را نشان می دهد. تعداد مسیرها مقدار M است.
شیر در شکل 1 را به عنوان مثال در نظر بگیرید. این یک شیر برقی 3/2 مستقیم است، یعنی شیر دارای دو موقعیت است، یعنی حالت های "روشن" و "خاموش". در عین حال دارای سه درگاه هوا است: 1 ورودی هوا، 2 خروجی هوا و 3 درگاه اگزوز.
تجزیه و تحلیل راه هوایی دریچه برقی

در انتهای سمت چپ نمودار مسیر گاز، نماد سمت چپ معمولاً نمایانگر فنر پایینی است. قسمت میانی بدنه شیر است که حاوی اطلاعات کلیدی برای تعیین نوع شیر برقی است. به عنوان مثال، دو کادر در شکل نشان می‌دهند که این یک شیر برقی دو حالته است، در حالی که A/B/R/P/S موقعیت‌های سوراخ بدنه شیر، یعنی شیر پنج‌طرفه را نشان می‌دهد. بنابراین، این شیر برقی یک شیر برقی دو جهته-پنج- است. به همین ترتیب، می توانیم تعداد بیت ها و تعداد پاس های شیر برقی را با تعداد سوراخ ها و تعداد جعبه ها تعیین کنیم.
علاوه بر این، نمودار مسیر گاز نیز مسیرهای عملیاتی مسیر گاز را در زمان قطع برق و زمانی که برق وصل است نشان می دهد. هنگامی که برق قطع می شود، مسیر هوا از سوراخ P وارد می شود، از سوراخ A بر روی محرک عمل می کند، سپس از سوراخ B عبور می کند و در نهایت از سوراخ S تخلیه می شود، در حالی که سوراخ R بسته می ماند. هنگام روشن شدن، مسیر هوا نیز از سوراخ P وارد می شود، اما در این زمان، هوا از سوراخ B خارج می شود، بر روی محرک عمل می کند و از سوراخ A عبور می کند و در نهایت از سوراخ R تخلیه می شود، در حالی که سوراخ S بسته است.
قسمت سمت راست شکل 3 به طور کلی سیم پیچ ها یا شیرهای کوچک پایلوت را نشان می دهد که نقش مهمی در عملکرد شیرهای برقی دارند. با تفسیر این نمودارهای راه هوایی، می توانیم درک عمیق تری از اصل کار دریچه برقی و عملکرد راه هوایی در شرایط مختلف به دست آوریم.

شکل 4 نمودار شماتیک الکتریکی شیر برقی پنوماتیکی را نشان می دهد. نمودار شماتیک الکتریکی کلید درک اصل کار یک شیر الکترومغناطیسی است. به وضوح سیم پیچ، کنتاکت ها و رابطه اتصال با سایر اجزای الکتریکی را به تصویر می کشد. با مشاهده نمودار شماتیک الکتریکی، می‌توانیم درک عمیق‌تری از تغییرات الکتریکی شیر برقی هنگام روشن و خاموش شدن آن به دست آوریم و در نتیجه ویژگی‌های کاری آن را بهتر درک کنیم.
Iv. انتخاب شیرهای برقی تکی-شیر برقی کنترلی و دوگانه{2}}شیر برقی کنترلی
شیر برقی تکی با کنترل الکتریکی همانطور که از نامش پیداست تنها به یک سیم پیچ مجهز است. با روشن شدن، تغییر می کند و وارد حالت دیگری می شود. هنگامی که برق قطع می شود، به طور خودکار به حالت اولیه باز می گردد. این اصل کار در شکل 5 نشان داده شده است. در مقابل، شیر برقی کنترل شده دوگانه با دو سیم پیچ مجهز شده است. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، با کنترل حالت های پرانرژی سیم پیچ های مختلف، می تواند به چندین کلید دست یابد و همچنان حالت قبلی خود را پس از خاموش کردن برق حفظ کند، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است. این تفاوت عملکردی مستقیماً انتخاب های مختلف آنها را در کاربردهای عملی تعیین می کند.

شکل‌های 5 و 6 اصول کار شیرهای برقی کنترلی تک-و شیرهای برقی کنترلی دوگانه-را نشان می‌دهند. هنگام انتخاب، اگر زمان معکوس کردن شیر نسبتاً کوتاه باشد، یک شیر برقی کنترلی برای کنترل آن کافی است. با این حال، اگر زمان کموتاسیون طولانی باشد، سیم پیچ باید به طور مداوم روشن شود، که ممکن است به دلیل روشن شدن طولانی مدت سیم پیچ گرم شود- و حتی بسوزد. برای جلوگیری از این وضعیت، می‌توان یک شیر کنترلی دوگانه-انتخاب کرد. علاوه بر این، اگر نیاز باشد که عملکرد تنظیم مجدد پس از قطع برق انجام شود، یک شیر برقی تنها با کنترل الکتریکی مناسب تر است. اگر پس از قطع برق لازم است وضعیت فعلی حفظ شود، یک شیر برقی کنترلی دوگانه مناسب تر است.
V. تفاوت‌ها و کاربردهای بین-شیرهای برقی با عملکرد پایلوت و شیرهای برقی مستقیم{2}}
در میان انواع شیرهای برقی، دو نوع متداول-راهنما و مستقیم- هستند. آنها در اصول کار و سناریوهای کاربردی متفاوت هستند. شیرهای برقی با{4}}راهنما از طریق سوراخ‌های پیلوت بین گاز و مایع جابه‌جا می‌شوند، در حالی که دریچه‌های برقی مستقیم-برای کنترل حرکت هسته شیر به اختلاف فشار متکی هستند. این تفاوت باعث می شود که دو نوع شیر برقی هر کدام مزایای خاص خود را در پاسخ به نیازهای مختلف صنعتی داشته باشند. به عنوان مثال، در برخی شرایط که نیاز به پاسخ سریع و حساسیت بالا دارند، شیرهای برقی-مستقیم ممکن است مناسب تر باشند. در شرایطی که به کنترل دقیق و مصرف انرژی کمتر نیاز است، شیرهای برقی{10}}راهنما ممکن است دارای لبه باشند.
طراحی ساختاری -شیرهای برقی با عملکرد مستقیم نسبتا ساده است. اصل کار آنها عمدتاً بر نیروی الکترومغناطیسی تکیه دارد تا مستقیماً هسته شیر را به سمت عمل هدایت کند. با این حال، این طراحی دو نقص عمده نیز دارد. اولاً، به دلیل تقاضای زیاد برای نیروی الکترومغناطیسی، حجم سیم پیچ الکترومغناطیسی بر همین اساس افزایش می یابد که به نوبه خود منجر به مصرف انرژی بیشتر می شود. ثانیاً، دریچه‌های برقی مستقیم{5}}به فشار نسبتاً حساس هستند. هنگامی که فشار از حد معینی تجاوز می کند (معمولاً بیش از 0.7 مگاپاسکال)، بسیاری از شیرهای برقی- مستقیم نمی توانند به درستی کار کنند. این عمدتاً به دلیل فشار بیش از حد بالایی است که بر روی هسته سوپاپ وارد می شود و نیروی الکترومغناطیسی را برای به حرکت درآوردن هسته سوپاپ دشوار می کند. با وجود این، شیرهای برقی{11}}مستقیم نیز مزایای خود را دارند: ساختار ساده، قیمت مقرون به صرفه و نرخ خرابی پایین.
2. شیر برقی-راهنما به طرز مبتکرانه ای طراحی شده است. این درایو نیروی الکترومغناطیسی سنتی را رها می کند و به جای آن از فشار هوا برای به حرکت درآوردن هسته شیر استفاده می کند. برای شیرهای برقی با قطر بیش از 4 میلی متر، معمولاً از یک شیر پایلوت و یک شیر اصلی تشکیل می شوند. پس از روشن شدن شیر برقی، شیر پایلوت باز می شود و باز شدن شیر اصلی را از طریق سیگنال خروجی کنترل می کند. شایان ذکر است که شیر اصلی در واقع یک شیر کنترل پنوماتیک است و عملکرد آن مستلزم عملکرد هماهنگ دو منبع هوا است: یکی منبع هوای شیر اصلی و دیگری منبع هوای شیر پایلوت.

اگر منبع اصلی هوا از طریق گذرگاه هوای داخلی شیر برقی، هوا را به شیر پیلوت برساند، این طرح را نوع پیلوت داخلی می نامند. اگر شیر پایلوت از منبعی مستقل از منبع اصلی گاز تامین شود، به آن نوع پیلوت خارجی می گویند. در شکل 8، سمت چپ نمونه‌ای از یک شیر برقی کارکرده با خلبان خارجی-در حالی که سمت راست نمونه‌ای از یک شیر برقی کنترل‌کننده داخلی-را نشان می‌دهد.
مقایسه فیزیکی بین لید داخلی و خارجی در شکل زیر نشان داده شده است.

این دو نوع شیر برقی، یعنی پیلوت داخلی و پیلوت خارجی، اغلب در یک سیستم وجود دارند. معمولاً، خلبان داخلی می تواند نیازهای اکثر موارد را برآورده کند. با این حال، در برخی شرایط خاص، رهبری خارجی حتی بیشتر ضروری می شود. به عنوان مثال، هنگامی که فشار منبع گاز شیر اصلی نوسان می کند و ممکن است به زیر 0.2 مگاپاسکال کاهش یابد، یا زمانی که در محیط خلاء است، زیرا منبع گاز شیر پایلوت نمی تواند با شیر اصلی مشترک باشد، در غیر این صورت ممکن است منجر به باز نشدن شیر اصلی شود. در این مرحله، یک منبع هوای مستقل با فشار بیش از 0.2 مگاپاسکال برای تغذیه شیر پایلوت مورد نیاز است. علاوه بر این، زمانی که اختلاف فشار بین ورودی و خروجی هوا قابل توجه است، یا زمانی که فشار راه هوایی اصلی از 1MPA تجاوز می کند، ممکن است خلبان داخلی نیاز به افزایش حجم ساختاری با بارگذاری مستقیم فشار راه هوایی بر روی هسته دریچه داشته باشد. پیلوت خارجی با وارد کردن مستقیم یک کانال گاز به درگاه خلبان بدون نیاز به اضافه کردن شیر الکترومغناطیسی مشکل را حل می کند. فقط یک لوله هوا باید اضافه شود.
در نتیجه، شیرهای برقی با{0}}راهنما دارای مزایای سرهای الکترومغناطیسی کوچک و مصرف انرژی کم هستند. از نظر زیبایی شناسی دلپذیر است و باعث صرفه جویی در فضای نصب می شود. در عین حال، گرمای کمتری تولید می‌کند و اثر صرفه‌جویی قابل‌توجهی-در انرژی دارد. مهمتر از آن، به دلیل تولید گرمای کم، احتمال سوختن سیم پیچ کمتر است و می توان برای مدت طولانی آن را روشن کرد. این امر به ویژه در کاربردهای عملی مهم است. به عنوان مثال، قدرت برخی از شیرهای برقی از SMC به 0.1 وات کاهش یافته است که منبع تغذیه مداوم را بدون گرم شدن بیش از حد امکان پذیر می کند. محدوده توان دریچه‌های برقی مستقیم-4{11}}20 وات، با توان نسبتاً کوتاه-به موقع است. علاوه بر این، روشن کردن مکرر{15}}خطر فرسودگی شغلی را به همراه دارد. بنابراین، در شرایطی که منبع تغذیه برای دوره‌های طولانی یا در فرکانس‌های بالا مورد نیاز است، شیرهای برقی{17}}راه‌اندازی انتخاب ارجح هستند. در واقع، اکثر شیرهای برقی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، طراحی آزمایشی{19}} را اتخاذ کرده اند. در میان شیرهای برقی که فقط اجازه عبور مایع را می دهند، شیرهای مستقیم اثر هنوز هم نسبت خاصی را به خود اختصاص می دهند. این عمدتا به دلیل این واقعیت است که ناخالصی های موجود در سیال ممکن است کانال های باریک شیر پیلوت را مسدود کند.
در مرحله بعد، به بررسی سه نوع -شیرهای برقی پنج جهته- سه طرفه می‌پردازیم: وسط-آببندی، متوسط-تهویه‌شده، و فشار متوسط-و همچنین کاربردهای آنها. این نوع شیر برقی از سیم پیچ های کنترل الکتریکی دوتایی استفاده می کند. هنگامی که هیچ یک از دو مغناطیس الکترومغناطیس روشن نمی شود، هسته سوپاپ تحت فشار متعادل فنرها در هر دو طرف در موقعیت وسط قرار می گیرد. در این مرحله، وضعیت خاموش بودن مسیر گاز در شیر برقی، نوع خاص آن - آب بندی میانی، هواگیری میانی یا فشار متوسط ​​را تعیین می کند. اصول و سناریوهای کاربردی این سه نوع را یکی یکی تحلیل خواهیم کرد.
1. تجزیه و تحلیل وضعیت مهر و موم وسط: هنگامی که هیچ یک از دو سیم پیچ روشن نمی شود، فشار در محفظه جلو و عقب سیلندر پس از خاموش شدن سیم پیچ ها در حالت باقی می ماند و تغییر نمی کند. در عین حال، هر دو درگاه ورودی و خروجی هوا بسته هستند. با این حال، حفظ این حالت برای مدت طولانی ممکن است به تدریج باعث از دست دادن تعادل آن به دلیل نشتی های جزئی شود. نمودار شماتیک در (شکل 10) نشان داده شده است.

به دلیل تراکم پذیری گاز و این واقعیت که اجزای پنوماتیکی مانند سیلندرها، سوپاپ ها و اتصالات لوله گاز نمی توانند کاملاً عاری از نشتی- باشند، سیلندر را نمی توان برای مدت طولانی در موقعیت توقف میانی ثابت نگه داشت. این حالت متعادل به تدریج در طول زمان از بین می رود و در نتیجه دقت موقعیت یابی سیلندر کاهش می یابد. با این حال، برای آن دسته از شرایط کاری که دقت موقعیت سیلندر زیاد مورد نیاز نیست و زمان توقف نسبتاً کوتاه است، هنوز هم می‌توان سیلندر مهر و موم شده وسط را برای استفاده در نظر گرفت.
2. روش تخلیه متوسط: زمانی که هیچ یک از دو سیم پیچ برقی نباشد، فشاری در محفظه جلو و عقب سیلندر وجود ندارد و درگاه ورودی هوا در همان زمان بسته می ماند. در این مرحله، فشار در محفظه جلو و عقب سیلندر از طریق دو درگاه اگزوز سوپاپ برقی تخلیه می شود. اصل کار آن را می توان در شکل 11 اشاره کرد.

در مقایسه با-شیر آب بندی شده وسط، طراحی مدار تخلیه وسط-می تواند زمان توقف میانه- طولانی تری ارائه دهد. در سناریوهایی که سیلندر باید به صورت عمودی حرکت کند، زمان توقف میانه- نسبتاً طولانی است، اما الزامات دقت موقعیت‌یابی خیلی سخت‌گیرانه نیست، مدار آزاد-وسط انتخابی است که ارزش بررسی دارد.
3. حالت فشار متوسط: هنگامی که هیچ یک از دو سیم پیچ برقی نباشد، فشار در محفظه جلو و عقب سیلندر در حالتی باقی می ماند که سیم پیچ قبلی بدون برق است و فشار مداوم اعمال می شود تا اطمینان حاصل شود که فشار در محفظه جلو و عقب سیلندر با فشار در انتهای ورودی مطابقت دارد. در این مرحله، ورودی هوا باز است در حالی که اگزوز بسته است. اصل کار در شکل 12 نشان داده شده است.

اگر سیلندر تحت یک نیروی بار خارجی محوری قرار نگیرد، پیستون در حالت متعادل باقی می‌ماند و بنابراین دقیقاً در هر موقعیتی در طول ضربه باقی می‌ماند. ویژگی های این مدار ایجاب می کند که سیلندر باید به صورت افقی نصب شود. بنابراین، در شرایط کاری که موقعیت‌یابی با دقت بالا مورد نیاز است و نیروی بار خارجی محوری وجود ندارد، توصیه می‌شود از یک شیر فشار متوسط ​​در ترکیب با یک سیلندر میله پیستونی دوبل استفاده شود.