فشارشکن با عملکرد مستقیم (Direct Acting Relief Valve)
شیرهای فشارشکن با عملکرد مستقیم که اغلب در سیستمهای هیدرولیک با دبی پایین و یا به عنوان شیر اطمینان (Safety Valve) ثانویه استفاده میشوند، سادهترین و در عین حال سریعترین نوع شیرهای کنترل فشار هستند. مکانیزم عمل در این شیرها بر اساس تقابل مستقیم نیروی هیدرولیک با نیروی مکانیکی فنر است.
در این نوع شیر، روغن پرفشار مستقیماً بر روی یک پاپت (Poppet) یا ساچمه (Ball) نیرو وارد میکند. این قطعه مسدودکننده توسط یک فنر قابل تنظیم در جای خود نگه داشته شده است. زمانی که نیروی حاصل از فشار سیال () بر نیروی مقاومت فنر غلبه کند، مسیر باز شده و روغن به مخزن تخلیه میشود. این سادگی طراحی باعث میشود که این شیرها واکنش بسیار سریعی به شوکهای ناگهانی فشار (Pressure Spikes) داشته باشند، اما به دلیل محدودیتهای فیزیکی فنر، برای دبیهای بالا مناسب نیستند.
ویژگیهای کلیدی و مکانیزم داخلی
شناخت اجزا و رفتار دینامیکی این شیر برای انتخاب صحیح آن در مدار حیاتی است. موارد زیر از مهمترین مشخصات فنی فشارشکنهای مستقیم هستند:
- سرعت پاسخدهی بالا (Fast Response): به دلیل نبود تأخیر هیدرولیک و عملکرد مستقیم فنر، سریعترین واکنش را در برابر افزایش ناگهانی فشار دارند.
- ساختار ساده و مقاوم: دارای کمترین قطعات متحرک هستند که باعث افزایش طول عمر و کاهش نیاز به تعمیر و نگهداری میشود.
- پدیده Override Pressure: در این شیرها با افزایش دبی عبوری، فشار سیستم نیز فراتر از فشار تنظیم شده (Cracking Pressure) میرود که ناشی از فشرده شدن بیشتر فنر است.
- هزینه پایین: نسبت به مدلهای پایلوتدار قیمت بسیار کمتری دارند.
- محدودیت دبی: معمولاً برای سیستمهایی با دبی بالا توصیه نمیشوند زیرا نیاز به فنرهای بسیار بزرگ و سخت خواهند داشت.
تفاوت فشار ترکخوردگی (Cracking Pressure) و فشار کامل (Full Flow Pressure)
یکی از مفاهیم بسیار مهم در سئو و فنیِ فشارشکنهای مستقیم، درک فاصله بین لحظه باز شدن شیر و لحظه عبور کامل جریان است. زمانی که پاپت فقط اندکی از نشیمنگاه خود بلند میشود تا اولین قطرات روغن عبور کنند، به آن “فشار ترکخوردگی” میگویند. اما برای اینکه تمام دبی پمپ تخلیه شود، فنر باید بیشتر فشرده شود. این فشردگی بیشتر نیازمند نیروی (فشار) بیشتر است.
بنابراین، فشار سیستم در حالت عبور کامل جریان، همیشه بالاتر از فشاری است که شما شیر را روی آن تنظیم کردهاید. این اختلاف فشار در شیرهای مستقیم محسوس است و طراحان مدار باید این “Override” را در محاسبات ایمنی لحاظ کنند تا به قطعات حساس آسیب نرسد.
جدول مزایا و معایب فنی فشارشکن مستقیم
برای تصمیمگیری بهتر جهت استفاده از این شیر در مدار، جدول زیر دید کاملی از نقاط قوت و ضعف آن ارائه میدهد:
| پارامتر | توضیحات فنی |
| دقت تنظیم فشار | متوسط؛ متأثر از تغییرات دبی است (فشار با افزایش دبی بالا میرود). |
| پایداری (Stability) | ممکن است در فشارهای خاص دچار لرزش یا نویز (Chatter) شود. |
| نشتی داخلی | در فشارهای نزدیک به نقطه تنظیم، ممکن است نشتی اندکی داشته باشد. |
| کاربرد اصلی | مدارهای دبی پایین، به عنوان شیر ایمنی (Safety Valve) روی پمپ، سیستمهای کلمپینگ. |
| حساسیت به آلودگی | نسبتاً کم؛ به دلیل ساختار ساده، کمتر دچار گرفتگی میشود. |
فشارشکن با عملکرد پایلوتدار (Pilot Operated Relief Valve)
فشارشکنهای پایلوتدار یا دو مرحلهای، راهکار مهندسی هیدرولیک برای غلبه بر محدودیتهای شیرهای مستقیم در دبیها و فشارهای بالا هستند. این شیرها به جای استفاده از یک فنر بزرگ برای مقابله با کل نیروی هیدرولیک، از “تعادل هیدرولیکی” استفاده میکنند.
ساختار این شیر از دو بخش اصلی تشکیل شده است: شیر پایلوت (طبقه اول) که یک شیر فشارشکن مستقیم کوچک است و شیر اصلی (طبقه دوم) که وظیفه عبور حجم عظیم روغن را بر عهده دارد.
در این مکانیزم، فشار سیستم از طریق یک مجرای بسیار ریز (Orifice) به پشت اسپول اصلی منتقل میشود. در حالت عادی، فشار در دو طرف اسپول اصلی برابر است و یک فنر بسیار نرم، اسپول را بسته نگه میدارد.
زمانی که فشار سیستم به حد تنظیم شده برسد، شیر پایلوت باز شده و تعادل فشار در دو سمت اسپول اصلی به هم میخورد. این عدم تعادل باعث میشود اسپول اصلی به نرمی باز شده و جریان اصلی را به تانک هدایت کند.
قابلیتهای پیشرفته و کنترلی
استفاده از سیستم پایلوتدار امکاناتی را در اختیار طراحان سیستمهای هیدرولیک قرار میدهد که در مدلهای مستقیم وجود ندارد:
- ظرفیت عبور جریان بالا: میتوانند دبیهای بسیار زیاد را بدون نیاز به فنرهای غولپیکر کنترل کنند.
- دقت تنظیم بسیار بالا: دامنه تغییرات فشار نسبت به تغییرات دبی (Override Pressure) بسیار ناچیز و منحنی عملکرد آن تقریباً خطی است.
- قابلیت کنترل از راه دور (Remote Control): با اتصال پورت ونت (Vent) به یک شیر دیگر، میتوان فشار را از فاصله دور تنظیم کرد.
- عملکرد بیبار (Unloading): با باز کردن مسیر ونت به تانک (توسط یک شیر برقی)، پمپ میتواند بدون فشار (زیر بار) کار کند که برای کاهش مصرف انرژی در زمانهای توقف سیکل حیاتی است.
- عملکرد نرم و بدون ضربه: این شیرها معمولاً نوسانات فشار را بهتر میرا میکنند.
نقش حیاتی اریفیس (Orifice) در عملکرد شیر
قلب تپنده و بخش حیاتی یک فشارشکن پایلوتدار، “اریفیس” یا همان مجرای ریز تعادلی است. اگر این مجرا مسدود شود (به دلیل آلودگی روغن)، شیر قادر به باز شدن نخواهد بود و فشار سیستم میتواند تا حد تخریب قطعات بالا رود (چون فشار پشت اسپول حبس میشود). برعکس، اگر اریفیس بیش از حد باز باشد، شیر نمیتواند فشار را نگه دارد.
بنابراین، در نگهداری این شیرها، تمیزی روغن اهمیت دوچندانی پیدا میکند. همچنین واکنش این شیرها نسبت به مدلهای مستقیم اندکی کندتر است، زیرا سیال باید زمانی را صرف عبور از اریفیس و جابجایی اسپول اصلی کند.
جدول مقایسه فنی و عیبیابی
در جدول زیر مشخصات عملکردی و نکات مربوط به عیبیابی این دسته از شیرها ارائه شده است که برای تکنسینهای فنی بسیار کاربردی است:
| ویژگی / مشکل | وضعیت در شیر پایلوتدار |
| هیسترزیس (Hysteresis) | بسیار پایین؛ فشار باز شدن و بسته شدن بسیار به هم نزدیک است. |
| واکنش به شوک فشار | کندتر از مدل مستقیم (تأخیر چند میلیثانیهای دارد). |
| علت عدم افزایش فشار | گیر کردن اسپول اصلی در حالت باز یا شکستن فنر پایلوت. |
| علت نوسان شدید فشار | وجود هوا در مدار پایلوت یا فرسایش سوزن پایلوت. |
| قابلیت اتوماسیون | عالی؛ قابلیت نصب شیرهای پروپورشنال یا سلونوئیدی روی طبقه پایلوت. |