معرفی ساختار و عملکرد شیر برقی پنوماتیک

شیرهای برقی پنوماتیک از مهم‌ترین اجزای مدارهای پنوماتیک به شمار می‌روند و نقشی اساسی در کنترل دقیق و خودکار جریان هوا ایفا می‌کنند.

این قطعات، به منزله رابطی میان دنیای الکترونیک و مکانیک، با دریافت سیگنال‌های الکتریکی، فرآیندهای پنوماتیک را به سرعت و با دقت بالا هدایت می‌کنند. از خطوط تولید گرفته تا رباتیک و ماشین‌آلات مدرن، کارایی هر سیستم پنوماتیک به طور مستقیم به عملکرد بی‌نقص این شیرها وابسته است.

با توجه به نبود مطالب جامع و روان به زبان فارسی در این باره، و با درک نیاز صنعت‌گران داخلی، واحد فنی مجموعه الیت پنوماتیک تصمیم به تدوین یک مجموعه مقاله گرفته است. با توجه به گستردگی این مبحث، این مطلب در قالب سه مقاله مجزا ولی مرتبط با هم تنظیم شده است: در بخش اول (همین مقاله)، به طور کامل به معرفی و تشریح نحوه کار شیرهای برقی می‌پردازیم. در مقاله دوم، درباره انواع مختلف این شیرها صحبت می‌کنیم و در نهایت و در مقاله سوم راهنمای جامع برای انتخاب بهترین گزینه با توجه به نیاز مصرف‌کننده تقدیم می‌شود.

در مقاله پیش رو به معرفی شیر برقی پنوماتیک و بررسی دقیق و کامل ساختار داخلی و نحوه عملکرد شیر برقی پنوماتیک کتابی پرداخته شده است.

مقدمه

در دنیای صنعتی امروز، سیستم‌های اتوماسیون نقش تعیین‌کننده‌ای در بهینه‌سازی زمان، کاهش خطا و افزایش بهره‌وری دارند.

در قلب بسیاری از این سیستم‌ها، هوای فشرده به عنوان یک منبع انرژی پاک، قابل کنترل و نسبتاً ارزان به کار گرفته می‌شود. اما کنترل دقیق این انرژی بدون استفاده از شیرهای پنوماتیک ممکن نیست و در این میان، شیرهای برقی پنوماتیک جایگاهی کلیدی دارند.

در میان انواع مختلف شیرهای برقی، شیرهای برقی کتابی که به نام «شیرهای برقی سری V» نیز شناخته می‌شوند، به دلیل طراحی فشرده، قابلیت نصب روی منیفولد (چیدمان ردیفی)، سرعت عملکرد بالا و انعطاف‌پذیری در نصب و کنترل، بیشترین کاربرد و فراوانی مصرف را دارند.

 

 

هدف ما، ارائه مطالبی است که هم برای مهندسان طراح سیستم‌های پنوماتیک مفید باشد، هم برای تکنسین‌های نصب و تعمیر و هم برای مدیران فنی و تأمین قطعات که به دنبال انتخاب مناسب‌ترین شیر برقی برای پروژه‌های خود هستند.

برای رسیدن به این هدف، در ابتدا به معرفی شیر برقی پنوماتیک و بیان اهمیت آن‌ها در سیستم‌های پنوماتیک خواهیم پرداخت. پس از آشنایی با ویژگی‌های شاخص شیر برقی و تحلیل ساختار داخلی آن، نحوه عملکرد شیر برقی پنوماتیک و طرز کار آن به صورت کامل بررسی خواهد شد.

شیر برقی پنوماتیک چیست و چرا اهمیت دارد؟

شیر برقی پنوماتیک (Solenoid Valve for Pneumatics) نوعی شیر کنترلی است که برای اعمال فرمان قطع و وصل یا تغییر مسیر جریان هوای فشرده، از تحریک الکترومغناطیسی (بوبین) استفاده می‌کند.

به زبان ساده می‌توان گفت که در انواع مختلف شیر برقی پنوماتیک، با اعمال ولتاژ معین به یک سیم‌پیچ مغناطیس شونده (بوبین) و با استفاده از نیروی مغناطیسی ایجاد شده، هسته‌ متحرک داخل شیر پنوماتیک جابه‌جا شده و مسیر عبور جریان هوای فشرده کنترل می‌شود.

شیرهای برقی پنوماتیک، بسته به نوع کاربرد، شرایط کاری و عملکرد مورد نیاز، در اشکال، جنس و سایزهای بسیار متنوعی طراحی و عرضه می‌شوند.

 

اهمیت شیر برقی در سیستم‌های پنوماتیک

1- کنترل سریع و دقیق سیگنال‌های هوای فشرده

2- امکان فرمان‌پذیری از  PLC، کنترلرهای صنعتی یا کلیدهای دستی

3- افزایش ایمنی و هماهنگی در فرآیندهای خودکار

4- کاهش نیاز به اپراتور و صرفه‌جویی در زمان

5- قابل استفاده در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی و الگوریتم‌های عملکردی پیچیده

شیرهای برقی به دلیل قابلیت کنترل از راه دور، پاسخ سریع و طراحی استاندارد، تقریباً در تمامی صنایع مدرن استفاده می‌شوند. از صنایع خودروسازی، بسته‌بندی، صنایع غذایی و دارویی گرفته تا تجهیزات پزشکی، رباتیک و خطوط تولید خودکار.

شیر برقی کتابی چیست؟

شیر برقی کتابی (Flat Solenoid Valve) به صورت کلی به انواعی از شیرهای برقی پنوماتیک گفته می‌شود که شکل ظاهری مکعبی و ماژولار دارند.

در بازار ایران برای نامگذاری این شیرها از اصطلاح «شیر کتابی» استفاده می‌شود. شیرهای برقی کتابی در انواع و سایزبندی‌های متنوعی طراحی و عرضه می‌شوند، لیکن معروف‌ترین و پرمصرف‌ترین انواع آنها شیرهای کتابی سری V هستند که به دلیل کاربری گسترده و فراوانی مصرف، توسط اغلب برندهای معتبر تحت همین نام تولید و عرضه می‌گردند.

شیرهای کتابی سری V از یک بدنه مکعبی از جنس آلومینیوم و یک یا دو مجموعه بوبین در طرفین شیر تشکیل شده‌اند.

در داخل بدنه شیرهای کتابی سایز متوسط و بزرگ، یک اسپول متحرک قرار دارد که با جابجایی و تغییر موقعیت آن، مسیر عبور جریان هوای فشرده عوض شده و وضعیت عملکردی شیر تغییر می‌یابد.

فرمان عملکرد این شیرها همانگونه که اشاره شد، از طریق سیگنال الکتریکی و میدان مغناطیسی حاصل از آن اعمال می‌شود، لیکن جابجایی اسپول توسط انرژی پنوماتیکی صورت می‌گیرد!

در واقع، فرمان برقی به صورت غیر مستقیم به عملکرد مکانیکی شیر منجر می‌شود. استفاده از انرژی پنوماتیکی برای جابجایی اسپول، به منظور تأمین نیرو و سرعت بالای مورد نیاز برای تغییر وضعیت اسپول است.

با توجه به توضیحات فوق، اغلب شیرهای برقی کتابی از نظر عملکردی و طرز کار از نوع «عملکرد غیر مستقیم» یا «Pilot-Operated» هستند.

 

انواعی از شیرهای برقی کتابی که به دلیل شکل و اندازه کوچک، در بازار به آنها «شیر کبریتی» می‌گویند، دارای بدنه آلومینیومی بلوکی شکل، ولی فاقد اسپول داخلی هستند.

در این شیرها، باز و بسته شدن و تغییر مسیر هوای فشرده مستقیماً با فرمان الکتریکی و نیروی مغناطیسی حاصل از بوبین انجام می‌شود. این دسته از شیرهای کتابی، از نوع «عملکرد مستقیم» یا «Direct-Acting» هستند.

توضیحات کامل مربوط به شناسایی اجزای داخلی، طرز کار و نحوه عملکرد شیر برقی پنوماتیک کتابی در همین مقاله ارائه خواهد شد.

ویژگی‌های شاخص شیر برقی کتابی

• طراحی فشرده و ماژولار: مناسب برای فضاهای محدود در تابلو کنترل یا خطوط تولید و مونتاژ
• قابلیت نصب چندتایی (روی منیفولد): چند شیر کنار هم با تغذیه و تخلیه مشترک
• سرعت عملکرد بالا: مناسب برای سیکل‌های عملکردی سریع و فرکانس بالا
• تنوع در اندازه، دبی جریان عبوری و حالت‌های عملکرد
• تنوع در نوع و محدوده ولتاژ عملکرد

استفاده از شیرهای برقی کتابی به‌ویژه در سیستم‌هایی که نیاز به کنترل همزمان چندین عملگر (جک پنوماتیک) از یک مدار کنترل مرکزی وجود دارد بسیار متداول است. مثلاً در خطوط مونتاژ، ماشین‌‌آلات بسته‌بندی، تجهیزات رباتیک و …

ساختار داخلی شیر برقی پنوماتیک کتابی

شیرهای برقی کتابی برخلاف ظاهر ساده و جمع‌وجورشان، دارای ساختار داخلی نسبتاً پیچیده و دقیقی هستند چرا که برای پاسخ‌گویی سریع، کارکرد پایدار و عملکرد ایمن طراحی شده‌اند.

 اجزای اصلی شیر برقی پنوماتیک کتابی عبارتند از:

1- بوبین یا کویل (Solenoid Coil)
وظیفه مجموعه بوبین، اعمال فرمان عملکرد شیر برقی است. این مجموعه شامل یک بورد الکتریکی و یک سیم پیچ مغناطیس شونده است. با اعمال جریان الکتریکی، در سیم پیچ بوبین میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود و نیروی حاصل از آن هسته متحرک شیر برقی را جابجا نموده و مسیر ورود هوای فشرده به شیر باز می‌شود.

با توجه به نوع نیاز سیستم‌های کنترلی و ولتاژ مدارهای فرمان، بوبین‌های شیر کتابی، در انواع جریان مستقیم (DC 12V , DC 24V) و جریان متناوب (AC 24V, AC 110V, AC220V) عرضه می‌گردند.

جنس مواد اولیه، کیفیت ساخت و درجه حفاظتی بوبین، عوامل بسیار مهم و تأثیرگذار در عملکرد و عمر شیر برقی هستند.

در تولیدات شرکت‌های معتبر، استاندارد حفاظتی IP65 (محافظت در برابر گرد و خاک و رطوبت)، استاندارد عملکردی 100%ED (قابلیت عملکرد دائمی) و استاندارد کیفی CE (گواهی کیفیت اتحادیه اروپا) به عنوان بخشی از الزامات کیفی بوبین رعایت می‌شود.

2- هسته ثابت و متحرک (Plunger or Armature)
این مجموعه شامل یک پوسته ثابت و یک هسته مغناطیس شونده متحرک است. در شرایط عادی، هسته متحرک بر اثر نیروی فنر برگشت، مسیر ورود هوای فشرده به شیر را بسته نگه می‌دارد.

با اعمال فرمان الکتریکی و ایجاد میدان مغناطیسی در بوبین، هسته متحرک موقتاً آهنربا شده و در خلاف جهت نیروی فنر به پوسته می‌چسبد و همزمان مسیر ورود باد باز می‌شود. با قطع فرمان الکتریکی و حذف میدان مغناطیسی، بلافاصله مسیر ورود باد برا اثر نیروی فنر برگشت بسته می‌شود.

 

 

3- محفظه پایلوت

همانگونه که پیشتر اشاره شد، غالبا عملکرد شیر برقی پنوماتیک کتابی از نوع غیر مستقیم (Pilot Operated) است. در این شیرها تحریک و جابجایی اسپول توسط نیروی هوای فشرده صورت می‌گیرد.

این اتفاق در محفظه پایلوت رخ می‌دهد. محفظه پایلوت، ناحیه سیاه رنگ بین مجموعه بوبین و بدنه شیر کتابی است. این محفظه شامل یک پیستون کوچک پلاستیکی و مکانیزم تحریک دستی شیر کتابی است.

در داخل محفظه پایلوت دو منفذ برای عبور هوای فشرده تعبیه شده است. یکی از این منافذ مسیر باد ورودی و منفذ دیگر مسیر هدایت باد به پشت پیستون است.

در حالت عادی، هسته متحرک با نیروی فنر برگشت، مسیر ورود باد به محفظه پایلوت را بسته نگه می‌دارد. با اعمال فرمان برقی و جابجایی هسته متحرک، مسیر ورود باد باز شده و پیستون پلاستیکی تحت فشار باد به جلو رانده می‌شود و از آنجا پیستون به اسپول تکیه دارد، اسپول را جابجا می‌کند و تغییر وضعیت در شیر رخ می‌دهد.

به این ترتیب، عملکرد مکانیکی شیر کتابی توسط هوای فشرده و در محفظه پایلوت اعمال می‌شود. با حذف فرمان الکتریکی، بسته به نوع طراحی و منطق عملکردی شیر، اسپول در وضعیت جدید باقی می‌ماند و یا با نیروی فنر برگشت به موقعیت ابتدایی خود باز می‌گردد.

 

محفظه پایلوت در دو وضعیت عملکردی شیر برقی کتابی تک بوبین

 

4- بدنه اصلی شیر (Valve Body)
معمولاً از آلومینیوم یا آلیاژهای سبک ساخته شده و پورت‌های ورودی، خروجی و تخلیه هوا را شامل می‌شود. حرکت رفت و برگشتی اسپول در بدنه اصلی شیر، عامل تعیین وضعیت عملکردی شیر است.

سطح داخلی شیر برقی که فضای جابجایی اسپول است، با دقت بالایی ماشین‌کاری می‌شود. با توجه به اینکه سرعت جابجایی اسپول در شیر برقی، به 5 سیکل در ثانیه می‌رسد، تأثیر دقت و کیفیت بالای بدنه اصلی در کارایی و دوام شیر برقی بسیار زیاد است.

 

5- اسپول (Spool)
قطعه‌ای استوانه‌ای و متحرک در داخل شیر برقی است که با جابحایی خود مسیر عبور جریان هوای فشرده را تغییر می‌دهد.

روی بدنه اسپول شیارهایی تعبیه شده است. در داخل شیارها، اورینگ‌ یا پکینگ‌های آب‌بندی قرار دارند که مانع عبور و نشت هوای فشرده به سایر مسیرهای شیر می‌شوند. همچنین در انواع مرغوب شیر برقی کتابی، در طرفین اسپول از بالشتک‌های ضد سایش برای نرمی حرکت و کاهش اصطکاک سطحی اسپول با بدنه شیر استفاده می‌شود.

مورد فوق به همراه جنس و کیفیت ساخت بدنه و اورینگ‌های اسپول، نقش مهمی در سرعت عملکرد، دقت سوئیچینگ و طول عمر شیر دارد.

 

نحوه عملکرد شیر برقی پنوماتیک کتابی

همان‌طور که پیشتر اشاره شد، شیرهای برقی کتابی به دو دسته کلی از نظر طرز کار و منطق عملکرد داخلی تقسیم می‌شوند:

1- شیر برقی پنوماتیک با عملکرد مستقیم (Direct-Acting)

2- شیر برقی پنوماتیک با عملکرد غیرمستقیم یا پایلوت‌دار (Pilot-Operated)

درک تفاوت بین این دو ساختار، برای انتخاب صحیح شیر، تحلیل رفتار و عیب‌یابی شیر در زمان بهره‌برداری، امری کاملاً ضروری است.

۱. شیر برقی کتابی پنوماتیک با عملکرد مستقیم

در شیرهای برقی کتابی با عملکرد مستقیم، انرژی حاصل از تحریک الکترومغناطیسی بوبین، مستقیماً منجر به باز و بسته شدن مسیر جریان هوا می‌شود. این شیرها معمولاً ساختار ساده‌تری دارند، فاقد اسپول یا مکانیزم پایلوت هستند، و در ابعاد کوچک طراحی می‌شوند.

در این نوع شیرها:

1- هسته متحرک، در صورت تحریک بوبین، خود مسدودکننده یا بازکننده مسیر هوا است.

2- نیازی به نیروی پنوماتیکی خارجی برای تحریک مکانیکی مسیر وجود ندارد.

3- مسیر جریان به‌صورت لحظه‌ای و مستقیم توسط حرکت هسته مغناطیسی باز یا بسته می‌شود.

نکته مهم: این نوع عملکرد معمولاً در شیرهای 2/2 و 3/2 کتابی کوچک (معروف به شیرهای کبریتی) دیده می‌شود.

نمای برش خورده شیر برقی کتابی با عملکرد مستقیم

 

مثال کاربردی:

در یک مدار ساده که فقط نیاز به ارسال یا قطع یک سیگنال هوای فشرده دارد – مثل فرمان تغذیه باد به شیر بزرگ‌تر یا راه‌اندازی یک سیلندر تک‌کاره (جک یک طرفه) کوچک – از شیر برقی 3/2 عملکرد مستقیم استفاده می‌شود.

مشخصات شیر برقی کتابی با عملکرد مستقیم 

 ۲. شیر برقی کتابی پنوماتیک با عملکرد غیرمستقیم

مکانیزم عملکردی اغلب شیرهای کتابی سایز متوسط و بزرگ از نوع غیرمستقیم است. در ساختار این شیرها، تحریک بوبین تنها یک سیگنال کنترلی اولیه ایجاد می‌کند، لیکن جابجایی اسپول و تغییر مسیر هوای فشرده، به کمک نیروی پنوماتیکی صورت می‌گیرد.

مراحل عملکرد شیر برقی پنوماتیک با عملکرد غیر مستقیم 

طرز کار شیر برقی پنوماتیکی که دارای عملکرد غیر مستقیم است را می‌توان در 6 مرحله زیر خلاصه کرد.

1- بوبین تحریک می‌شود و میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند.

2- هسته متحرک بر اثر نیروی مغناطیسی در داخل محفظه پایلوت جابجا می‌شود.

3- مسیر عبور هوای فشرده به پشت پیستون پایلوت باز می‌شود.

4- فشار هوا باعث حرکت پیستون پایلوت و در نتیجه جابجایی اسپول در بدنه اصلی شیر می‌شود.

5- مسیر جریان هوا بسته به موقعیت اسپول تغییر می‌کند و وضعیت عملکردی شیر تعیین می‌شود.

6- پس از قطع فرمان تحریک، اسپول بسته به نوع شیر (یک یا دو بوبین) در وضعیت جدید مانده یا توسط فنر برگشت به موقعیت اولیه بازمی‌گردد.

نکته کلیدی:

در این نوع شیرها، اسپول فقط با فشار هوا جابجا می‌شود و تحریک برقی بوبین بدون فشار باد کافی در ورودی شیر، بی‌اثر خواهد بود. بر این اساس شیرهای عملکرد غیر مستقیم، برای عملکرد صحیح، نیاز به فشار حداقلی (1~1.5bar) دارند.

 

 

مشخصات شیر برقی کتابی عملکرد غیر مستقیم

نکات فنی مهم در انتخاب نوع عملکرد شیر برقی پنوماتیک

• اگر در مدار شما فشار خط در همه شرایط کمتر از 1.5 بار است، شیر پایلوت‌دار عملکرد مطلوبی نخواهد داشت.
• اگر فضای فیزیکی محدود است یا پاسخ سریع مورد نیاز است، شیرهای مستقیم گزینه بهتری هستند.
• برای کنترل چند سیلندر بزرگ، یا در خطوط با بارگذاری هم‌زمان، حتماً باید از شیرهای پایلوت‌دار استفاده شود.
• اسپول در شیرهای پایلوت‌دار دو بوبین معمولاً پس از قطع فرمان برقی در همان وضعیت باقی می‌ماند.

 

 نمای برش خورده شیر برقی کتابی عملکرد غیر مستقیم

 

سخن پایانی 

عملکرد شیر برقی پنوماتیک کتابی را نمی‌توان فقط از روی ظاهر یا تعداد پورت‌ها شناخت. تفاوت بنیادی بین شیرهایی که مستقیماً مسیر را باز و بسته می‌کنند (Direct-Acting) و شیرهایی که از هوای فشرده برای جابجایی مسیر استفاده می‌کنند (Pilot-Operated)، نه‌تنها در ساختار، بلکه در رفتار عملکردی سیستم تأثیرگذار است.

شناخت این تفاوت به شما کمک می‌کند تا:

1- ویژگی‌های دقیق اجزای مدار پنوماتیک و تأثیر آنها بر عملکرد کلی سیستم را بهتر بشناسید.

2- طراحی مدار پنوماتیک و انتخاب شیرهای برقی را درست و بهینه انجام دهید.

3- در زمان بروز خطا، منشاء آن را سریع‌تر تشخیص داده و رفع عیب نمایید.

به طور کلی در این مقاله به طور مفصل با ساختار و عملکرد شیر برقی پنوماتیک کتابی آشنا شدیم. جهت تکمیل اطلاعات فنی و تخصصی مخاطبان عزیز، در مقالات بعدی به بررسی انواع شیر برقی پنوماتیک و همچنین نحوه انتخاب و خرید آن‌ها پرداخته خواهد شد.