شیرهای کنترل جهت پروپرشنال (Proportional Directional Valves)

شیرهای کنترل جهت پروپرشنال، نسل پیشرفته‌ای از شیرهای هیدرولیک هستند که برخلاف شیرهای دایرکشنال معمولی (Bang-Bang) که تنها وضعیت باز یا بسته دارند، امکان کنترل پیوسته و دقیق جهت و سرعت جریان سیال را فراهم می‌کنند. این شیرها با دریافت سیگنال‌های الکترونیکی متغیر، موقعیت اسپول (Spool) را به صورت درصدی تغییر داده و بدین ترتیب دبی خروجی را تنظیم می‌کنند. این ویژگی باعث می‌شود که ضربات هیدرولیکی (Shock) به شدت کاهش یافته و حرکت عملگرها نرم و کنترل‌شده باشد.

 

 شیرهای دایرکشنال مستقیم (Direct Operated)

در شیرهای تحریک مستقیم، نیروی مغناطیسی تولید شده توسط سلونوئید پروپرشنال، مستقیماً به اسپول شیر اعمال می‌شود تا آن را در برابر نیروی فنر جابه‌جا کند. این شیرها معمولاً برای سایزهای کوچکتر (مانند سایز 6 و 10) و دبی‌های عبوری کمتر طراحی شده‌اند. پاسخ‌دهی در این شیرها بسیار سریع است و به دلیل ساختار ساده‌تر، نگهداری آسان‌تری دارند.

 

ویژگی‌های کلیدی شیرهای تحریک مستقیم عبارتند از:

• سرعت پاسخ‌دهی بالا: به دلیل اتصال مستقیم نیرو به اسپول، تاخیر زمانی بسیار کم است.
• هزینه کمتر: نسبت به مدل‌های پایلوت‌دار قیمت پایین‌تری دارند.
• محدودیت در دبی و فشار: برای سیستم‌های با توان هیدرولیکی بسیار بالا مناسب نیستند زیرا نیروی سلونوئید برای غلبه بر نیروهای جریان (Flow Forces) محدود است.
• کاربرد: مناسب برای ماشین‌آلات تزریق پلاستیک کوچک، پرس‌های سبک و ابزار دقیق.

 

با افزایش نیاز به دبی و فشار بالاتر در صنایع سنگین، نیروی سلونوئیدهای مستقیم برای جابه‌جایی اسپول کافی نخواهد بود و نیاز به مکانیزم‌های تقویت‌کننده نیرو احساس می‌شود که در اینجا شیرهای پایلوت‌دار وارد عمل می‌شوند.

 

شیرهای دایرکشنال پایلوت‌دار (Pilot Operated)

این شیرها از دو طبقه تشکیل شده‌اند: طبقه اول یک شیر کوچک تحریک مستقیم (Pilot Valve) است که وظیفه ارسال روغن فرمان را بر عهده دارد و طبقه دوم، شیر اصلی (Main Stage) است که دبی اصلی سیستم از آن عبور می‌کند. فشار روغن پایلوت باعث جابه‌جایی اسپول اصلی می‌شود. این مکانیزم اجازه می‌دهد تا با یک سیگنال الکتریکی کوچک، جریان‌های هیدرولیکی عظیم کنترل شوند.

ویژگی	شیر مستقیم (Direct)	شیر پایلوت‌دار (Pilot)
ظرفیت دبی (Flow Capacity)	پایین تا متوسط (تا حدود 80 لیتر/دقیقه)	بسیار بالا (تا بیش از 1000 لیتر/دقیقه)
سایز شیر	معمولاً CETOP 3 و CETOP 5	سایزهای بزرگتر مانند CETOP 7, 8, 10
پایداری سیستم	خوب در فشارهای پایین	بسیار عالی در فشارهای بالا و نوسانات
پیچیدگی ساختار	ساده	پیچیده (دو مرحله‌ای)

 

شیرهای کنترل فشار پروپرشنال (Proportional Pressure Valves)

کنترل فشار در سیستم‌های هیدرولیک مدرن فراتر از تنظیمات دستی با پیچ و مهره است. شیرهای کنترل فشار پروپرشنال به سیستم اجازه می‌دهند تا فشار را بر اساس نیاز لحظه‌ای سیکل کاری و از طریق فرمان‌های الکترونیکی (PLC یا کنترلر) تغییر دهد. این امر موجب صرفه‌جویی در انرژی، کاهش استهلاک و افزایش دقت در فرآیندهایی می‌شود که نیاز به پروفایل‌های فشاری متغیر دارند.

 

شیر فشار شکن پروپرشنال (Proportional Relief Valve)

این شیرها برای محدود کردن حداکثر فشار سیستم به صورت الکترونیکی استفاده می‌شوند. برخلاف ریلیف ولوهای معمولی که روی یک عدد ثابت تنظیم می‌شوند، در نوع پروپرشنال با افزایش ولتاژ یا جریان ورودی به کویل، فشار تنظیم شده شیر افزایش می‌یابد. این قابلیت در ماشین‌آلاتی که در مراحل مختلف سیکل کاری به فشارهای حفاظتی متفاوتی نیاز دارند (مثلاً فشار کم در حرکت سریع و فشار بالا در هنگام پرس) حیاتی است.

 

مزایای استفاده از شیر فشار شکن پروپرشنال:

• انعطاف‌پذیری: امکان تغییر فشار ماکزیمم سیستم در کسری از ثانیه بدون دخالت اپراتور.
• کاهش شوک: امکان ایجاد رمپ‌های فشار (Soft Start/Stop) برای جلوگیری از ضربه قوچ.
• کنترل از راه دور: قابلیت تنظیم فشار توسط اپراتور از اتاق فرمان یا به صورت خودکار توسط برنامه.
• افزایش طول عمر پمپ: با کاهش فشار در زمان‌های غیرضروری، بار روی پمپ برداشته می‌شود.

 

در بسیاری از مدارهای هیدرولیک، تنها کنترل فشار کل سیستم کافی نیست و نیاز است تا بخش خاصی از مدار با فشاری کمتر از فشار خط اصلی کار کند؛ اینجاست که شیرهای کاهنده فشار اهمیت پیدا می‌کنند.

 

شیر کاهنده فشار پروپرشنال (Proportional Pressure Reducing Valve)

این شیر وظیفه دارد فشار خروجی (در یک شاخه فرعی) را در سطحی پایین‌تر از فشار ورودی نگه دارد، حتی اگر فشار ورودی نوسان داشته باشد. در نوع پروپرشنال، این فشارِ کاهش‌یافته متناسب با سیگنال الکتریکی ورودی تنظیم می‌شود.

پارامتر	شیر فشار شکن (Relief)	شیر کاهنده فشار (Reducing)
وظیفه اصلی	محدود کردن فشار کل سیستم (ایمنی)	کاهش فشار در یک انشعاب خاص
حالت عادی (Normal State)	معمولاً بسته (Normally Closed)	معمولاً باز (Normally Open)
محل حسگر فشار (Sensing)	فشار را از ورودی (P) حس می‌کند	فشار را از خروجی (A) حس می‌کند
مسیر تخلیه (Drain)	معمولاً اینترنال (به تانک اصلی)	حتماً باید اکسترنال (مستقل) باشد

 

شیرهای کنترل جریان پروپرشنال (Proportional Flow Control Valves)

شیرهای کنترل جریان پروپرشنال برای تنظیم دقیق سرعت عملگرها (سیلندرها و هیدروموتورها) با تغییر سطح مقطع عبور روغن به صورت الکترونیکی طراحی شده‌اند. این شیرها قلب تپنده سیستم‌های اتوماسیون هیدرولیک هستند که در آن‌ها پروفایل‌های حرکتی پیچیده (شتاب‌گیری و ترمزگیری نرم) مورد نیاز است.

 

شیرهای تراتل پروپرشنال (Proportional Throttle Valves)

شیر تراتل در واقع یک گلوگاه متغیر است. با تغییر سیگنال الکتریکی، اسپول حرکت کرده و روزنه عبور روغن باز یا بسته می‌شود. نکته بسیار مهم در شیرهای تراتل ساده این است که دبی عبوری تابع دو عامل است: 1- سطح مقطع روزنه (که توسط ما کنترل می‌شود) و 2- اختلاف فشار دو سر شیر (که تابع بار است).

 

چالش‌ها و ویژگی‌های شیر تراتل پروپرشنال:

• وابستگی به بار: اگر بار روی سیلندر افزایش یابد، اختلاف فشار تغییر کرده و سرعت سیلندر ناخواسته کم می‌شود.
• ساختار ساده: طراحی داخلی ساده‌تر و قیمت مناسب‌تر نسبت به مدل‌های جبران‌ساز.
• تلفات انرژی: ماهیت عملکرد این شیرها ایجاد افت فشار است که منجر به تولید گرما می‌شود.
• کاربرد: مناسب برای سیستم‌هایی که بار تقریباً ثابت است یا تغییرات سرعت جزئی قابل چشم‌پوشی است.

 

برای حل مشکل وابستگی سرعت به تغییرات بار در شیرهای تراتل، مهندسان هیدرولیک مکانیزمی به نام “جبران‌کننده فشار” یا Pressure Compensator را به شیر اضافه کردند.

 

شیرهای جبران‌کننده فشار (Pressure Compensated)

این شیرها مجهز به یک هیدرواستات داخلی هستند که به صورت خودکار تغییرات فشار بار را خنثی می‌کند. این مکانیزم تضمین می‌کند که اختلاف فشار (Delta P) در دو سر گلوگاه اصلی ثابت بماند. در نتیجه، دبی عبوری تنها تابع سطح بازشدگی شیر (سیگنال فرمان) خواهد بود و تغییرات سنگینی یا سبکی بار تاثیری بر سرعت عملگر نخواهد داشت.

ویژگی عملکردی	شیر تراتل (بدون جبران‌ساز)	شیر فلو کنترل (با جبران‌ساز)
ثبات سرعت	با تغییر بار، سرعت تغییر می‌کند	سرعت مستقل از تغییرات بار ثابت می‌ماند
دقت کنترل	متوسط	بسیار بالا
راندمان	تولید گرمای بیشتر	مدیریت بهتر انرژی
هزینه	ارزان‌تر	گران‌تر

 

 

شیر پروپرشنال بر اساس سیستم بازخورد (Feedback)

دقت و تکرارپذیری در شیرهای پروپرشنال تا حد زیادی به نحوه کنترل موقعیت اسپول بستگی دارد. بر این اساس، شیرها به دو دسته کلی “حلقه باز” و “حلقه بسته” تقسیم می‌شوند. این دسته‌بندی تعیین‌کننده سطح تکنولوژی و کاربری شیر در صنایع دقیق است.

 

بدون بازخورد (Open Loop)

در سیستم‌های حلقه باز، کارت الکترونیکی فرمانی را به بوبین شیر ارسال می‌کند، اما هیچ گزارشی مبنی بر اینکه اسپول واقعاً به موقعیت مورد نظر رسیده است یا خیر، دریافت نمی‌کند. در اینجا فرض بر این است که نیروی مغناطیسی بر نیروی فنر غلبه کرده و اسپول در جای درست قرار گرفته است. عواملی مانند اصطکاک، تغییر ویسکوزیته روغن و هیسترزیس (Hysteresis) می‌توانند باعث خطای جزئی در موقعیت‌دهی شوند.

 

پارامتر	سیستم حلقه باز (Open Loop)
دقت	استاندارد (حدود 5% تا 10% خطا)
قیمت	اقتصادی و مقرون‌به‌صرفه
تجهیزات جانبی	نیاز به سنسور روی شیر ندارد
کاربرد	ماشین‌آلات راهسازی، پرس‌های عمومی، نوار نقاله‌ها

 

با وجود کارایی بالا در کاربردهای عمومی، سیستم‌های حلقه باز برای رباتیک و دستگاه‌های CNC دقیق مناسب نیستند. برای رفع خطاهای ناشی از اصطکاک و هیسترزیس، نیاز به نظارت لحظه‌ای بر موقعیت اسپول است.

 

 با بازخورد (Closed Loop)

شیرهای پروپرشنال حلقه بسته مجهز به سنسور موقعیت‌سنج (معمولاً از نوع LVDT) هستند که مستقیماً به اسپول متصل است. این سنسور به صورت لحظه‌ای موقعیت واقعی اسپول را به کارت کنترلر گزارش می‌دهد. اگر خطایی بین “موقعیت درخواستی” و “موقعیت واقعی” وجود داشته باشد، کارت کنترلر جریان برق را اصلاح می‌کند تا اسپول دقیقاً در نقطه هدف قرار گیرد.

 

مزایای حیاتی شیرهای دارای فیدبک (Closed Loop):

• حذف هیسترزیس: خطای ناشی از پسماند مغناطیسی و اصطکاک تقریباً به صفر می‌رسد.
• پاسخ فرکانسی بالا: این شیرها بسیار سریع‌تر و دقیق‌تر واکنش نشان می‌دهند (مشابه سروو ولوها).
• تکرارپذیری عالی: تضمین می‌کند که با یک سیگنال مشخص، همیشه دبی خروجی دقیقاً یکسان است.
• عیب‌یابی: قابلیت ارسال سیگنال خطا در صورت گیر کردن اسپول یا خرابی شیر.