شیر سروو هیدرولیک (Servo Valve): تشریح عملکرد، آنالیز و استانداردها
۱. تعریف تکنیکال شیر سروو
شیر سروو (Servo Valve) یک مبدل الکترو-هیدرولیک پیشرفته است که سیگنالهای الکتریکی ضعیف را از طریق تورک موتور (Torque Motor) به جریان هیدرولیک پرفشار تبدیل میکند. این تجهیز با بهرهگیری از فیدبک مکانیکی یا الکتریکی داخلی و پاسخ فرکانسی بالا (High Frequency Response)، امکان کنترل موقعیت/سرعت دقیق، شتاب و نیرو را در سیستمهای دینامیک فراهم میسازد.
۲. آناتومی و عملکرد داخلی (Internal Architecture)
برخلاف شیرهای دایرکشنال معمولی، شیر سروو یک سیستم کنترلی حلقه بسته مکانیکی در ابعاد کوچک است. ساختار اکثر شیرهای سروو دو مرحلهای (Two-Stage) شامل سه بخش اصلی است:
الف) تورک موتور (The Torque Motor)
این قلب تپنده شیر است. تورک موتور یک مدار مغناطیسی پلاریزه است. کویلها دور یک آرمیچر (Armature) پیچیده شدهاند که در میدان مغناطیسی آهنرباهای دائم معلق است.
عملکرد: با ورود جریان الکتریکی (معمولاً در حد میلیآمپر)، آرمیچر گشتاور تولید کرده و منحرف میشود. این حرکت خطی نیست؛ بلکه چرخشی (Torque) است که به لوله انعطافپذیر (Flexure Tube) و در نهایت به فلپر یا جت پایپ منتقل میشود.
ب) طبقه اول: مکانیزمهای پایلوت (Pilot Stage)
این مرحله وظیفه ایجاد اختلاف فشار (Differential Pressure) برای حرکت اسپول اصلی را دارد. دو طراحی غالب وجود دارد:
- فلپر نازل (Flapper Nozzle):
رایجترین نوع (مانند اکثر مدلهای Moog). فلپر بین دو نازل قرار دارد. حرکت فلپر به سمت یک نازل، فشار پشت آن را افزایش و فشار نازل مقابل را کاهش میدهد. این اختلاف فشار () به دو سر اسپول اعمال میشود.
- مزیت: پاسخ فرکانسی فوقالعاده بالا.
- ضعف: حساسیت شدید به آلودگی روغن (فاصله فلپر تا نازل حدود ۳۰ تا ۵۰ میکرون است).
- جت پایپ (Jet Pipe):
یک لوله متحرک، روغن را مستقیماً به سمت دو سوراخ گیرنده (Receiver) شلیک میکند.
- مزیت: مقاومت بالاتر در برابر آلودگی (چون سوراخ بزرگتر است – حدود ۲۰۰ میکرون).
- کاربرد: صنایع سنگین مثل فولاد (جایی که رسیدن به NAS پایین دشوار است).
ج) طبقه دوم: اسپول و بوش (Spool & Sleeve)
اسپول در شیرهای سروو با تلورانسهای زیر میکرون (Lapping) نسبت به بوش ساخته میشود. وضعیت Zero Overlap (لبهبهلبه) حیاتی است.
نکته فنی (Pro Tip):
شیرهای سروو ذاتاً دارای نشتی داخلی (Internal Leakage) هستند که به آن جریان سکون (Quiescent Flow) یا Tare Flow میگویند. این نشتی خرابی نیست؛ بلکه جریانی است که دائم از نازلها عبور میکند تا مرحله پایلوت “زنده” و آماده واکنش آنی بماند. اگر نشتی درایو صفر شد، شیر شما مرده است!
۳. تفاوت حیاتی: شیر سروو (Servo) در برابر شیر پروپرشنال (Proportional)
بسیاری از مدیران خرید به اشتباه تصور میکنند میتوانند برای کاهش هزینه، شیر سروو را با پروپرشنال جایگزین کنند. جدول زیر دلایل فنی رد این فرضیه را نشان میدهد:
| پارامتر فنی | شیر سروو (Servo Valve) | شیر پروپرشنال (Proportional Valve) | برنده در… |
| سرعت پاسخ (Response Time) | بسیار بالا (زیر ۱۰ میلیثانیه) | متوسط تا خوب (۲۰ تا ۵۰ میلیثانیه) | سروو (دینامیک بالا) |
| هیسترزیس (Hysteresis) | کمتر از ۰.۵٪ (بسیار دقیق) | ۱٪ تا ۳٪ | سروو (دقت تکرارپذیری) |
| حساسیت به آلودگی | بسیار حساس (نیازمند فیلتراسیون مطلق) | حساسیت کمتر | پروپرشنال (محیطهای کثیف) |
| همپوشانی اسپول (Spool Overlap) | صفر (Zero Lap) – خطی بودن عالی | معمولاً Positive Overlap (ناحیه مرده دارد) | سروو (کنترل دقیق در دبی کم) |
| قیمت | بسیار گران | گران | پروپرشنال |
چرا نمیتوان جایگزین کرد؟
شیرهای سروو برای سیستمهایی طراحی شدهاند که نیاز به پاسخ فرکانسی (Frequency Response) بالا دارند. اگر در یک سیستم کنترل موقعیت دقیق (مثل ضخامتسنجی ورق فولاد)، شیر سروو را با پروپرشنال عوض کنید، سیستم دچار تاخیر فاز (Phase Lag) شده و ناپایدار میشود. همچنین ناحیه مرده (Dead band) در شیرهای پروپرشنال باعث میشود کنترل دقیق در سرعتهای پایین غیرممکن شود.
۴. خط قرمز: تمیزی روغن و استاندارد NAS
به عنوان کسی که هزاران شیر Moog را کالبدشکافی کرده است، صریحاً میگویم: ۹۰٪ خرابی شیرهای سروو ناشی از آلودگی روغن است.
فاصلههای هوایی (Clearances) در فلپر نازل و بین اسپول و بوش در حد ۲ تا ۵ میکرون است. ذراتی که با چشم غیرمسلح دیده نمیشوند، میتوانند باعث پدیدهای به نام Silt Lock (قفل شدن اسپول توسط ذرات ریز) یا گرفتگی فیلتر داخلی (Last Chance Filter) شوند.
الزامات سختگیرانه فیلتراسیون:
- استاندارد ISO 4406: کد تمیزی باید حداقل 14/11 یا بهتر باشد (معادل کلاس ۳ یا ۴).
- استاندارد NAS 1638: سطح تمیزی باید Class 5 یا پایینتر باشد.
- فیلترها: استفاده از فیلترهای بدون بایپس (Non-Bypass) با مش ۳ میکرون ابسولوت (Beta ratio > 200) در خط فشار (Pressure Line) الزامی است.
نکته فنی (Pro Tip):
هرگز به تمیزی روغن بشکههای نو اعتماد نکنید. روغن نو معمولاً دارای کد NAS 8 یا 9 است که برای شیر سروو حکم سمباده را دارد. روغن باید قبل از تزریق به یونیت، با دستگاه فلاشینگ و فیلتراسیون تصفیه شود.
۵. علائم خرابی و تست عملکرد
فراموش کنید که با یک مولتیمتر بتوانید سلامت شیر سروو را تایید کنید. اهممتر فقط سلامت سیمپیچ (Coil) را نشان میدهد، نه سلامت هیدرولیکی یا کالیبراسیون را.
علائم شایع در فیلد:
- نوسان (Oscillation/Hunting): اکچویتور در جای خود میلرزد. این میتواند ناشی از سایش لبههای اسپول (افزایش Null Leakage) یا تغییر در گین (Gain) شیر باشد.
- دریفت (Drift) یا Null Bias Shift: وقتی ولتاژ فرمان صفر است، جک حرکت میکند. این یعنی تنظیم مکانیکی صفر (Mechanical Null) به هم ریخته یا فنر فیدبک ضعیف شده است.
- داغ شدن بیش از حد: اگر بدنه شیر به شدت داغ شود (بیشتر از دمای مخزن)، نشتی داخلی طبقه پایلوت بیش از حد مجاز است.
تست استاندارد (فقط روی میز تست سروو):
تست واقعی نیاز به رسم منحنی بود (Bode Plot) دارد. ما در تست، دامنه و فاز را در فرکانسهای مختلف (مثلاً از ۱ تا ۱۰۰ هرتز) بررسی میکنیم.
- تست هیسترزیس: نمودار جریان-دبی باید رفت و برگشت یکسانی داشته باشد.
- تست فشار (Pressure Gain): شیب نمودار فشار در نقطه صفر، نشاندهنده “سفتی” (Stiffness) شیر است.
۶. برندهای معتبر جهانی و بازار
در دنیای ابزار دقیق هیدرولیک، چند نام حکم استاندارد مطلق را دارند:
- Moog (ایالات متحده): رهبر بلامنازع بازار. شیرهای سری ۷۲، ۷۶۰ و ۷۹ این برند در صنایع فولاد و نیروگاهی ایران بسیار پرکاربردند. تعمیر شیر موگ (Moog) نیازمند دانش تخصصی و قطعات اصلی است.
- Bosch Rexroth (آلمان): رقیب اصلی، بسیار باکیفیت و با دوام بالا.
- Parker & Abex: برند Abex به طور خاص در صنایع هوافضا و جتها شناخته میشود (اکنون زیرمجموعه پارکر است).
- Star Hydraulics (انگلستان): جایگزینهای بسیار باکیفیتی برای شیرهای Moog تولید میکند.
هشدار: در کاربردهای حساس (توربینها، نورد ورق، صنایع نظامی)، استفاده از برندهای متفرقه چینی یا روسی به دلیل هیسترزیس بالا و عدم خطی بودن، ریسک توقف خط تولید یا حادثه را به شدت افزایش میدهد.