Các loại van điều khiển thủy lực

Van điều khiển thủy lực đóng vai trò là trung tâm ra quyết định của hệ thống năng lượng chất lỏng. Mỗi mạch thủy lực phụ thuộc vào các bộ phận này để điều chỉnh ba thông số cơ bản: hướng dòng chất lỏng, mức áp suất trong hệ thống và tốc độ chất lỏng di chuyển qua bộ truyền động. Hiểu các loại van điều khiển thủy lực là điều cần thiết đối với bất kỳ ai tham gia thiết kế, bảo trì hoặc xử lý sự cố hệ thống thủy lực trong các ngành công nghiệp từ sản xuất đến hàng không vũ trụ.

Việc phân loại các loại van điều khiển thủy lực tuân theo một khung chức năng vẫn nhất quán qua nhiều thập kỷ thực hành kỹ thuật thủy lực. Khung này chia tất cả các van thủy lực thành ba loại chính dựa trên những gì chúng kiểm soát. Van điều khiển hướng xác định nơi chất lỏng đi. Van điều khiển áp suất quản lý lực sẵn có trong hệ thống. Van điều khiển dòng chảy điều chỉnh tốc độ di chuyển của bộ truyền động. Trong mỗi danh mục tồn tại một loạt các thiết kế chuyên dụng, mỗi thiết kế được thiết kế để giải quyết các yêu cầu vận hành cụ thể.

Hiểu phân loại van điều khiển thủy lực

Hệ thống phân loại ba trụ cột cho các loại van điều khiển thủy lực xuất hiện từ nhu cầu kỹ thuật thực tế: sắp xếp các bộ phận theo chức năng chính của chúng trong mạch thủy lực. Sự phân loại này không phải là tùy tiện. Nó phản ánh tính chất vật lý cơ bản của hệ thống thủy lực, trong đó năng lượng chất lỏng có thể được kiểm soát thông qua định hướng, điều chỉnh áp suất hoặc hạn chế dòng chảy.

Van điều khiển hướng (DCV)quản lý đường đi của chất lỏng thủy lực qua hệ thống. Khi người vận hành kích hoạt cần gạt để mở rộng xi lanh hoặc đảo chiều động cơ, van điều khiển hướng sẽ chuyển hướng dòng chảy từ máy bơm đến cổng truyền động thích hợp. Các van này không điều chỉnh trực tiếp áp suất hoặc tốc độ dòng chảy; chúng chỉ đơn giản là mở và đóng các đường dẫn chất lỏng cụ thể. Xi lanh tác động kép cần có van định hướng bốn chiều với các kết nối cho áp suất bơm (P), hồi lưu bình (T) và hai cổng truyền động (A và B).

Van điều khiển áp suất (PCV)duy trì điều kiện vận hành an toàn bằng cách điều chỉnh lực sẵn có trong hệ thống. Áp suất thủy lực đại diện cho năng lượng được lưu trữ và áp suất quá mức có thể làm đứt ống, làm hỏng vòng đệm hoặc phá hủy các bộ phận của máy bơm. Van điều khiển áp suất phản ứng với những thay đổi về áp suất hệ thống bằng cách mở các đường dẫn cứu trợ vào bể hoặc bằng cách hạn chế dòng chảy để duy trì mức áp suất cụ thể ở các nhánh mạch khác nhau. Van giảm áp được đặt ở mức 3000 PSI sẽ mở ra khi áp suất hệ thống đạt đến giới hạn này, bảo vệ các bộ phận hạ lưu khỏi hư hỏng do quá áp.

Van điều khiển dòng chảy (FCV)xác định tốc độ truyền động bằng cách điều chỉnh thể tích chất lỏng đi qua mạch trong một đơn vị thời gian. Tốc độ của xi lanh hoặc động cơ thủy lực phụ thuộc trực tiếp vào lượng chất lỏng đi vào. Van điều khiển dòng chảy hạn chế thể tích này bằng cách sử dụng lỗ hoặc van tiết lưu. Khi điều kiện tải thay đổi trong quá trình vận hành, các van điều khiển lưu lượng bù sẽ tự động điều chỉnh để duy trì tốc độ truyền động ổn định bất kể sự thay đổi áp suất.

Sự tách biệt chức năng này có nghĩa là một mạch thủy lực đơn lẻ thường yêu cầu nhiều loại van hoạt động cùng nhau. Mạch cần máy xúc di động có thể sử dụng van điều khiển hướng để chọn kéo dài hoặc rút lại, van đối trọng để ngăn giảm tải và van điều khiển lưu lượng để làm trơn chuyển động. Hiểu được loại van điều khiển thủy lực nào giải quyết được mục tiêu điều khiển nào là nền tảng của thiết kế hệ thống hiệu quả.

Van điều khiển hướng: Quản lý đường dẫn dòng chảy

Van điều khiển hướng được xác định bằng ký hiệu tiêu chuẩn mô tả cấu hình của chúng. Ký hiệu tuân theo định dạng "cách thức và vị trí". Van bốn chiều, ba vị trí được viết là 4/3 (bốn cổng, ba vị trí chuyển mạch). Số cách đề cập đến các kết nối bên ngoài: thường là đầu vào áp suất (P), hồi lưu bể (T hoặc R) và một hoặc nhiều cổng làm việc (A, B, C). Số lượng vị trí mô tả số lượng trạng thái chuyển mạch ổn định mà van có thể duy trì.

Cấu hình phổ biến nhất trong thủy lực công nghiệp là van bốn chiều, ba vị trí (4/3). Thiết kế này cung cấp một vị trí trung tâm, nơi van có thể được lập trình để kết nối các cổng theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Một van trung tâm đóng chặn tất cả các cổng ở trạng thái trung tính, cho phép dỡ máy bơm. Van trung tâm mở đưa dòng bơm trực tiếp về bể ở áp suất thấp, giảm mức tiêu thụ năng lượng khi không thực hiện công việc. Cấu hình trung tâm song song sẽ dỡ máy bơm trong khi cho phép bộ truyền động nổi tự do.

Cơ chế bên trong của van điều khiển hướng có hai thiết kế cơ bản: van ống chỉ và van hình múa rối. Sự cân bằng kỹ thuật giữa các thiết kế này định hình phạm vi ứng dụng của chúng.

Van ống chỉ sử dụng một phần tử hình trụ với các mặt đất được gia công chính xác trượt trong lỗ khoan để che và mở các cổng. Khoảng hở giữa ống cuộn và lỗ khoan phải ở mức tối thiểu (thường là 5-25 micron) để giảm rò rỉ bên trong trong khi vẫn cho phép chuyển động trơn tru. Thiết kế này vượt trội trong các ứng dụng yêu cầu nhiều đường dẫn dòng chảy và chuyển tiếp suôn sẻ giữa các vị trí. Van ống chỉ ba vị trí, bốn chiều, vận hành bằng thí điểm là tiêu chuẩn trong thiết bị di động vì chúng có thể xử lý các cấu hình cổng trung tâm phức tạp. Tuy nhiên, khe hở cần thiết có nghĩa là van ống có sự rò rỉ bên trong vốn có, điều này có thể gây ra hiện tượng trôi của bộ truyền động khi giữ tải trong thời gian dài.

Van Poppet sử dụng một phần tử đĩa hoặc hình nón tựa vào mặt van, thường được hỗ trợ bởi lực lò xo và áp suất đầu vào. Khi đóng lại, con rối tạo ra sự tiếp xúc giữa kim loại với kim loại hoặc chất đàn hồi với kim loại, đạt được mức độ rò rỉ bằng không. Thiết kế này cung cấp thời gian phản hồi nhanh nhất và khả năng lưu lượng cao nhất cho kích thước đường bao nhất định. Van điều khiển hướng kiểu poppet nhỏ gọn hiện đại theo tiêu chuẩn DIN có thể đạt tốc độ chu kỳ vượt quá 100 hoạt động mỗi phút mà không có rò rỉ có thể đo lường được ở trạng thái đóng. Hạn chế của van poppet xuất hiện trong các ứng dụng yêu cầu định tuyến dòng chảy phức tạp hoặc định vị trung gian.

Sự lựa chọn giữa thiết kế ống chỉ và hình nộm phản ánh thứ bậc ưu tiên trong ứng dụng. Đối với các thiết bị kẹp áp suất cao hoặc cần trục giữ tải trong đó bắt buộc phải có rò rỉ bằng 0, các van hình múa rối được chỉ định mặc dù chúng có những hạn chế về tính linh hoạt định tuyến dòng chảy. Đối với các ứng dụng điều chế liên tục như điều khiển máy xúc, van ống cuộn cung cấp sự chuyển tiếp trơn tru cần thiết mặc dù sự rò rỉ bên trong của chúng đòi hỏi phải điều chỉnh định kỳ hoặc thay thế các bộ phận bị mòn.

Các phương pháp truyền động cho van điều khiển hướng bao gồm đòn bẩy thủ công, cam cơ khí, trục điều khiển khí nén, trục điều khiển thủy lực, bộ điều khiển điện từ và điều khiển điện tử tỷ lệ. Việc lựa chọn tùy thuộc vào việc ứng dụng yêu cầu chuyển đổi bật-tắt hay định vị liên tục, lực có sẵn để kích hoạt là bao nhiêu và liệu có cần điều khiển từ xa hay tự động hay không.

Van điều khiển áp suất: An toàn và quy định hệ thống

Van điều khiển áp suất duy trì tính toàn vẹn của hệ thống bằng cách ngăn chặn các tình trạng quá áp có hại và bằng cách thiết lập các mức áp suất cụ thể ở các nhánh mạch khác nhau. Bộ phận kiểm soát áp suất cơ bản nhất là van giảm áp, hoạt động như một điểm tựa an toàn cho toàn bộ hệ thống thủy lực.

Van giảm áp mở khi áp suất hệ thống vượt quá giới hạn đặt trước, chuyển dòng chảy vào bể và ngăn áp suất tăng thêm. Tất cả các mạch thủy lực vòng kín đều yêu cầu bảo vệ van giảm áp. Nếu không có sự bảo vệ này, bộ truyền động bị chặn hoặc van định hướng đóng sẽ khiến áp suất tăng lên cho đến khi có sự cố xảy ra—thường là ống bị vỡ, phớt bị nổ hoặc máy bơm bị hỏng. Van giảm áp được đặc trưng bởi áp suất nứt (nơi chúng bắt đầu mở) và áp suất toàn dòng (nơi chúng vượt qua lưu lượng định mức tối đa).

Thiết kế bên trong của van xả chia thành hai loại với các đặc tính hiệu suất khác nhau đáng kể.

Van giảm áp tác động trực tiếp sử dụng áp suất hệ thống tác động trực tiếp lên phần tử con rối hoặc ống cuộn chống lại lò xo có thể điều chỉnh được. Khi lực ép vượt quá lực lò xo thì van sẽ mở ra. Sự đơn giản của thiết kế này mang lại phản hồi cực nhanh, thường là 5-10 mili giây, với một số thiết kế phản hồi trong 2 mili giây. Phản ứng nhanh này hạn chế hiệu quả sự tăng đột biến áp suất khi thay đổi tải đột ngột hoặc khi máy bơm ngừng hoạt động. Tuy nhiên, van tác động trực tiếp thể hiện sự ghi đè áp suất lớn - chênh lệch giữa áp suất nứt và áp suất toàn dòng có thể là 300-500 PSI trở lên. Ở tốc độ dòng chảy cao, việc ghi đè áp suất này có thể tạo ra nhiệt và tiếng ồn đáng kể, đôi khi tạo ra âm thanh "la hét" đặc trưng của van xả tác động trực tiếp quá tải.

Van giảm áp vận hành bằng thí điểm sử dụng thiết kế hai giai đoạn trong đó một van thí điểm nhỏ điều khiển phần tử van chính lớn hơn. Áp suất hệ thống tác động lên giai đoạn thí điểm, giai đoạn này sử dụng chênh lệch áp suất để định vị chính xác ống cuộn hoặc con rối chính. Thiết kế này đạt được khả năng kiểm soát áp suất chặt chẽ hơn nhiều với khả năng ghi đè thường được giới hạn ở mức 50-100 PSI ngay cả ở lưu lượng định mức tối đa. Các van vận hành bằng thí điểm chạy êm hơn và tạo ra ít nhiệt hơn trong quá trình vận hành xả. Sự thỏa hiệp là thời gian đáp ứng: việc xây dựng áp suất phi công và di chuyển phần tử van chính cần khoảng 100 mili giây, chậm hơn đáng kể so với các thiết kế tác động trực tiếp.

Phản ứng chậm của van xả do phi công vận hành tạo ra một lỗ hổng cụ thể: khi áp suất tăng đột ngột, van có thể không mở đủ nhanh để tránh hư hỏng. Các hệ thống có tải thay đổi nhanh hoặc van chuyển hướng thường xuyên thường sử dụng chiến lược bảo vệ kết hợp. Một van xả tác động trực tiếp nhỏ, tác động nhanh được đặt phía trên van chính do phi công vận hành một chút. Trong quá trình hoạt động bình thường, van vận hành thí điểm duy trì áp suất ổn định. Trong thời gian tăng đột biến thoáng qua, van tác động trực tiếp sẽ mở ra trong vòng 5-10 mili giây để cắt đỉnh, sau đó đóng lại khi van do phi công vận hành tiếp quản. Sự kết hợp này tối đa hóa cả khả năng bảo vệ đột biến và kiểm soát áp suất ở trạng thái ổn định.

Ngoài các chức năng giảm nhẹ cơ bản, van điều khiển áp suất chuyên dụng còn đáp ứng các yêu cầu mạch cụ thể:

• Van giảm ápgiới hạn áp suất trong mạch nhánh ở mức thấp hơn áp suất của hệ thống chính. Hoạt động mài có thể cần 1000 PSI trong khi hệ thống chính chạy ở 3000 PSI. Van giảm duy trì áp suất thấp hơn trong mạch mài, bảo vệ các bộ phận nhạy cảm và ngăn lực quá mạnh lên phôi.
• Van tuần tựvẫn đóng cho đến khi áp suất đầu vào đạt đến mức đặt trước, sau đó mở để cho phép dòng chảy đến chức năng phụ. Trong máy khoan, một van tuần tự đảm bảo xi lanh kẹp hoàn thành hành trình của nó (làm cho áp suất hệ thống tăng lên) trước khi cho phép xi lanh khoan tiến lên. Điều này ngăn cản việc khoan vào phôi không được bảo đảm.
• Van đối trọngngăn chặn tải chạy trốn trong các ứng dụng dọc hoặc quá tải. Các van này kết hợp một van giảm áp do phi công vận hành với một van kiểm tra tích hợp. Được lắp đặt trong đường hồi lưu của bộ truyền động, van đối trọng tạo ra áp suất ngược hỗ trợ tải. Áp suất điều khiển từ phía mở rộng điều chỉnh van để cho phép hạ xuống có kiểm soát. Nếu không có van đối trọng, tải trọng lực sẽ rơi tự do và tải do động cơ điều khiển sẽ tràn qua. Thiết kế bao gồm các tỷ lệ điều khiển có thể điều chỉnh được, với các van đối trọng thích ứng với tải tự động điều chỉnh tỷ lệ điều khiển dựa trên điều kiện tải để tối ưu hóa độ ổn định và hiệu quả năng lượng.
• Van dỡ hàngHệ thống phân loại ba trụ cột cho các loại van điều khiển thủy lực xuất hiện từ nhu cầu kỹ thuật thực tế: sắp xếp các bộ phận theo chức năng chính của chúng trong mạch thủy lực. Sự phân loại này không phải là tùy tiện. Nó phản ánh tính chất vật lý cơ bản của hệ thống thủy lực, trong đó năng lượng chất lỏng có thể được kiểm soát thông qua định hướng, điều chỉnh áp suất hoặc hạn chế dòng chảy.

Van điều khiển dòng chảy: Quản lý tốc độ và tốc độ

Van điều khiển dòng chảy điều chỉnh tốc độ truyền động bằng cách hạn chế lượng chất lỏng đi qua mạch. Vì vận tốc của bộ truyền động tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy (vận tốc = tốc độ dòng chảy / diện tích piston), việc điều khiển tốc độ dòng chảy mang lại khả năng kiểm soát tốc độ chính xác cho xi lanh và động cơ.

Thiết bị điều khiển dòng chảy đơn giản nhất là van tiết lưu hoặc van kim—về cơ bản là một lỗ có thể điều chỉnh được. Việc xoay điều chỉnh sẽ tạo ra hạn chế thay đổi trong đường dẫn dòng chảy. Tốc độ dòng chảy qua một lỗ tuân theo mối quan hệ Q = CA√(ΔP), trong đó Q là tốc độ dòng chảy, C là hệ số dòng chảy, A là diện tích lỗ và ΔP là độ sụt áp trên lỗ. Điều này cho thấy hạn chế cơ bản của van tiết lưu đơn giản: tốc độ dòng chảy phụ thuộc vào cả cài đặt lỗ và chênh lệch áp suất qua nó.

Khi áp suất tải thay đổi - chẳng hạn như khi xi lanh chuyển từ hướng ngang sang hướng dọc, thay đổi tải trọng hấp dẫn - chênh lệch áp suất trên van tiết lưu sẽ thay đổi. Điều này làm cho tốc độ dòng chảy thay đổi mặc dù cài đặt lỗ không đổi. Kết quả là tốc độ truyền động không nhất quán và thay đổi theo điều kiện tải. Đối với các ứng dụng cần điều khiển tốc độ gần đúng và chi phí là rất quan trọng, các van tiết lưu đơn giản vẫn hữu ích. Tuy nhiên, các ứng dụng chính xác đòi hỏi phải có sự bù đắp.

Van điều khiển lưu lượng bù áp (PCFCV) giải quyết vấn đề phụ thuộc vào tải bằng cách duy trì mức giảm áp suất không đổi trên lỗ đo bất kể sự thay đổi của tải. Van chứa hai bộ phận: một lỗ tiết lưu có thể điều chỉnh để đặt lưu lượng mong muốn và một ống bù đáp ứng với phản hồi áp suất.

Ống bù có tác dụng như một bộ điều chỉnh áp suất cơ học. Nó cảm nhận áp suất đầu ra và tự định vị để duy trì chênh lệch áp suất cố định trên lỗ đo. Khi áp suất tải tăng, ống bù sẽ di chuyển để tăng giới hạn trước lỗ đo, giữ cho ΔP không đổi. Khi áp suất tải giảm, ống chỉ sẽ mở rộng hơn. Bởi vì ΔP không đổi và diện tích lỗ đo là cố định nên tốc độ dòng Q gần như không đổi bất kể sự thay đổi áp suất ở hạ lưu.

Van điều khiển lưu lượng bù áp có thể được cấu hình để điều khiển đồng hồ đo vào (điều chỉnh lưu lượng đi vào bộ truyền động) hoặc điều khiển đồng hồ đo ra (điều chỉnh lưu lượng rời khỏi bộ truyền động). Cấu hình đồng hồ đo đặc biệt quan trọng để kiểm soát tải có thể tràn, chẳng hạn như các xi lanh giảm dần theo chiều dọc. Bằng cách hạn chế dòng hồi lưu, việc kiểm soát đồng hồ đo sẽ ngăn tải rơi tự do và mang lại khả năng hạ xuống ổn định, có kiểm soát.

Extrem hoch (~0,01 % Auflösung)

Bù nhiệt độ thêm một lớp tinh tế. Độ nhớt của dầu thủy lực thay đổi đáng kể theo nhiệt độ—thường trở nên loãng hơn 5-10 lần khi nhiệt độ tăng từ 20°C lên 80°C. Vì dòng chảy qua lỗ phụ thuộc một phần vào độ nhớt nên tốc độ dòng chảy có thể thay đổi theo nhiệt độ dầu ngay cả trong các thiết kế bù áp suất. Van điều khiển lưu lượng bù nhiệt độ kết hợp bộ phận nhạy cảm với nhiệt độ giúp điều chỉnh diện tích lỗ hiệu quả để chống lại sự thay đổi độ nhớt, duy trì lưu lượng thực sự ổn định trong phạm vi nhiệt độ vận hành.

Hệ thống điều khiển điện thủy lực tiên tiến

Van thủy lực truyền thống hoạt động ở các trạng thái riêng biệt: mở hoàn toàn, đóng hoàn toàn hoặc chuyển đổi giữa các vị trí cụ thể. Các ứng dụng nâng cao yêu cầu định vị chính xác, chuyển đổi vận tốc trơn tru hoặc điều khiển lực thay đổi yêu cầu điều chế van liên tục. Yêu cầu này dẫn đến sự phát triển của van điện thủy lực chấp nhận tín hiệu lệnh điện và cung cấp phản hồi tỷ lệ hoặc chất lượng phụ.

Van tỷ lệ đại diện cho cấp độ điều khiển điện thủy lực liên tục đầu tiên. Các van này sử dụng tín hiệu điện được điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển các cuộn dây điện từ tỷ lệ tạo ra lực thay đổi trên ống van. Bằng cách điều chỉnh dòng điện từ, ống van có thể được định vị ở bất kỳ đâu trong hành trình của nó, không chỉ ở các chốt chặn rời rạc. Điều này cho phép tăng tốc mượt mà của bộ truyền động, định vị trung gian chính xác và cấu hình tăng tốc có thể lập trình.

Độ phân giải điều khiển của van tỷ lệ phụ thuộc vào chất lượng của bộ điện từ tỷ lệ và bộ điều khiển điện. Các van tỷ lệ hiện đại đạt được độ phân giải vị trí tốt hơn 0,1% toàn bộ hành trình, với thời gian phản hồi thường trong phạm vi 50-200 mili giây. Độ trễ (sự khác biệt về vị trí giữa tín hiệu lệnh tăng và giảm) thường được giữ ở mức dưới 3% toàn bộ hành trình trong các van tỷ lệ chất lượng.

Van tỷ lệ mang lại tỷ lệ chi phí trên hiệu suất thuận lợi cho nhiều ứng dụng công nghiệp và di động. Chúng chịu được ô nhiễm chất lỏng tốt hơn van servo, thường hoạt động đáng tin cậy ở mã độ sạch ISO vào khoảng 15/17/12. Điều này làm cho chúng phù hợp với các thiết bị xây dựng, máy nông nghiệp và máy ép công nghiệp, những nơi không yêu cầu độ chính xác tuyệt đối nhưng chuyển động mượt mà, có kiểm soát là rất có giá trị. Máy xúc thủy lực sử dụng các van tỷ lệ để cung cấp cho người vận hành khả năng kiểm soát tốt các chuyển động của cần, thanh và gầu, cho phép vận hành tinh tế trong khi vẫn duy trì hiệu suất mạnh mẽ trong môi trường bị ô nhiễm.

Van servo thể hiện mức độ chính xác cao nhất của điều khiển thủy lực. Không giống như các van tỷ lệ chỉ đơn giản định vị ống cuộn dựa trên đầu vào điện, van servo kết hợp các vòng phản hồi bên trong liên tục so sánh vị trí ống cuộn thực tế với vị trí được lệnh và thực hiện các điều chỉnh. Bộ điều khiển nội bộ vòng kín này, kết hợp với các thiết kế phức tạp sử dụng động cơ mô-men xoắn và các giai đoạn thử nghiệm vòi phun, đạt được thời gian phản hồi dưới 10 mili giây và độ chính xác định vị vượt quá 0,01% toàn bộ hành trình.

Hiệu suất của van servo đi kèm với các yêu cầu nghiêm ngặt. Khoảng hở bên trong của van servo cực kỳ chặt chẽ—thường là 1-3 micron—cho phép rò rỉ bên trong ở mức tối thiểu nhưng tạo ra độ nhạy cực cao đối với ô nhiễm. Một hạt mài mòn lớn hơn khe hở ống chỉ có thể khiến van bị kẹt hoặc hỏng. Kinh nghiệm trong ngành luôn xác định ô nhiễm chất lỏng là nguyên nhân gây ra 70-90% lỗi bộ phận thủy lực, trong đó van trợ lực là bộ phận dễ bị tổn thương nhất.

Việc chỉ định van servo thể hiện sự cam kết của toàn bộ hệ thống. Để đạt được và duy trì độ sạch ISO 16/13/10 đòi hỏi các bộ lọc hiệu suất cao (thường là β25 ≥ 200), lấy mẫu và phân tích dầu thường xuyên, bình chứa kín có bộ thoát khí kết hợp lọc, quy trình làm sạch lắp ráp nghiêm ngặt và đào tạo người vận hành toàn diện. Chỉ riêng hệ thống lọc có thể đắt hơn van servo. Các tổ chức xem xét công nghệ van servo phải hiểu rằng giá mua van chỉ là bước khởi đầu; chi phí thực sự nằm ở việc duy trì các điều kiện chất lỏng siêu sạch mà hiệu suất của van servo phụ thuộc vào.

Tiêu chí lựa chọn và tiêu chuẩn ngành

Việc lựa chọn các loại van điều khiển thủy lực thích hợp đòi hỏi phải đánh giá một cách có hệ thống các điều kiện vận hành, yêu cầu về hiệu suất và cân nhắc vòng đời. Quá trình lựa chọn thường tuân theo một khuôn khổ có cấu trúc.

Các thông số vận hành xác định các điều kiện biên trong đó van phải hoạt động:

• Áp suất hệ thống tối đa:Van phải được đánh giá trên áp suất hệ thống cao nhất với giới hạn an toàn thích hợp (thường là áp suất làm việc 1,3x đến 1,5x)
• Yêu cầu về tốc độ dòng chảy:Công suất dòng chảy của van phải vượt quá nhu cầu mạch tối đa để tránh giảm áp suất quá mức và sinh nhiệt
• Khả năng tương thích chất lỏng:Vật liệu làm kín và vật liệu thân van phải chống lại sự phân hủy từ chất lỏng thủy lực (dầu mỏ, nước-glycol, este tổng hợp, v.v.)
• Phạm vi nhiệt độ hoạt động:Phớt và chất bôi trơn phải hoạt động ở nhiệt độ khắc nghiệt dự đoán
• Tốc độ chu kỳ:Van có chu kỳ nhanh cần có thiết kế chống mỏi và mài mòn

Yêu cầu chức năng xác định loại van và tính năng cụ thể nào cần thiết:

• Đối với điều khiển hướng:Số lượng cổng, số vị trí, tình trạng trung tâm, yêu cầu rò rỉ bằng 0, vận hành thí điểm
• Để kiểm soát áp suất:Cài đặt giảm nhẹ, đặc tính ghi đè, khả năng thông gió từ xa, khả năng chịu tải
• Để kiểm soát dòng chảy:Bù áp suất, bù nhiệt độ, đồng hồ đo vào và ra, phạm vi điều chỉnh

Phương pháp kích hoạt phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển có sẵn và yêu cầu tự động hóa:

• Vận hành thủ công để điều chỉnh không thường xuyên hoặc điều khiển khẩn cấp
• Phi công thủy lực để điều khiển từ xa sử dụng đường tín hiệu thủy lực
• Thí điểm khí nén tại các cơ sở có hệ thống khí nén hiện có
• Vận hành điện từ để điều khiển bật tắt điện và tích hợp PLC
• Điều khiển tỷ lệ/servo để điều chế liên tục và định vị vòng kín

Tiêu chuẩn hóa thông qua ISO/CETOP mang lại những lợi ích thiết thực đáng kể. Tiêu chuẩn ISO 4401 xác định kích thước giao diện lắp cho van điều khiển hướng thủy lực. Các van từ các nhà sản xuất khác nhau tuân theo cùng một kiểu lắp ISO (chẳng hạn như ISO 03, thường được gọi là CETOP 03 hoặc NG6/D03) có thể được thay thế trên cùng một tấm phụ hoặc ống góp mà không cần sửa đổi. Tiêu chuẩn hóa này:

• Đơn giản hóa việc tồn kho phụ tùng (nhiều thương hiệu có thể thay thế)
• Giảm thời gian kỹ thuật (giao diện tiêu chuẩn loại bỏ các thiết kế lắp đặt tùy chỉnh)
• Tạo điều kiện nâng cấp (van công nghệ mới hơn có thể thay thế trực tiếp các thiết kế cũ hơn)
• Tương quan gần đúng với công suất dòng chảy (van ISO 03 thường xử lý lên tới 120 L/phút, ISO 05 lên đến 350 L/phút)

Kích thước lắp ISO trở thành bộ lọc sơ bộ trong việc lựa chọn van. Sau khi xác định tốc độ dòng chảy cần thiết, các kỹ sư chọn kích thước ISO thích hợp, sau đó đánh giá các mẫu van cụ thể trong danh mục kích thước đó.

Ô nhiễm chất lỏng và tính toàn vẹn của hệ thống

Hiệu suất và tuổi thọ của tất cả các loại van điều khiển thủy lực phụ thuộc rất nhiều vào độ sạch của chất lỏng. Sự ô nhiễm là mối đe dọa lớn nhất đối với độ tin cậy của hệ thống thủy lực, với dữ liệu ngành chỉ ra rằng 70-90% lỗi bộ phận bắt nguồn từ chất lỏng bị ô nhiễm.

Cơ chế ô nhiễm làm hỏng van thông qua một số con đường:

• Sự can thiệp của hạtxảy ra khi các chất gây ô nhiễm rắn xâm nhập vào khe hở giữa các phần tử van chuyển động và lỗ khoan. Trong van ống cuộn, các hạt có thể tạo thành các bề mặt được gia công chính xác hoặc kẹt giữa ống cuộn và vỏ, gây ra hiện tượng dính. Trong van poppet, các hạt có thể cản trở việc tiếp xúc thích hợp, dẫn đến rò rỉ. Van servo có khe hở 1-3 micron đặc biệt dễ bị tổn thương—một hạt 5 micron có thể gây ra hỏng hóc hoàn toàn.
• mài mònxảy ra khi các hạt cứng đi qua các lỗ van và qua các bề mặt bịt kín ở tốc độ cao. Điều này dần dần làm xói mòn vật liệu, làm tăng độ hở và giảm hiệu quả bịt kín. Theo thời gian, độ chính xác của việc kiểm soát dòng chảy giảm sút, việc kiểm soát áp suất trở nên không chính xác và rò rỉ bên trong tăng lên.
• Suy thoái con dấutăng tốc khi các chất gây ô nhiễm bao gồm nước, axit hoặc các hóa chất không tương thích. Những chất này tấn công các chất đàn hồi và gây sưng tấy, cứng lại hoặc phân hủy. Ngay cả một lượng nước nhỏ (chỉ 0,1% theo thể tích) cũng có thể làm giảm tuổi thọ của vòng đệm từ 50% trở lên.
• Hiệu ứng nhiệtVấn đề trở nên phức tạp hơn: hệ thống bị ô nhiễm chạy nóng hơn do ma sát tăng và hiệu suất giảm. Nhiệt độ cao hơn làm tăng tốc độ oxy hóa dầu, tạo ra nhiều chất gây ô nhiễm hơn, tạo ra một chu trình hư hỏng tự tăng cường.

Mã độ sạch ISO 4406 cung cấp phương pháp tiêu chuẩn công nghiệp để định lượng ô nhiễm chất lỏng. Mã này sử dụng ba số biểu thị số lượng hạt ở ba ngưỡng kích thước: 4 micron, 6 micron và 14 micron. Mỗi số tương ứng với một phạm vi hạt trên mỗi mililit chất lỏng. Ví dụ: mã ISO 18/16/13 cho biết:

• Mã 18 ở ≥4μm: 1.300 đến 2.500 hạt/mL
• Mã 16 ở mức ≥6μm: 320 đến 640 hạt/mL
• Mã 13 ở mức ≥14μm: 40 đến 80 hạt/mL

Số mã ISO thấp hơn cho biết chất lỏng sạch hơn. Mỗi lần giảm một mã số thể hiện số lượng hạt giảm khoảng 50%.

Chiến lược lọc hệ thống phải nhắm tới mức độ sạch theo yêu cầu của thành phần nhạy cảm nhất. Mạch chứa van servo phải duy trì ISO 16/13/10 xuyên suốt, ngay cả khi các bộ phận khác có thể chịu được điều kiện bẩn hơn. Điều này thường yêu cầu:

• Bộ lọc hiệu suất cao với tỷ lệ beta β25 ≥ 200 (loại bỏ 99,5% hạt lớn hơn 25 micron)
• Nhiều điểm lọc (bộ lọc hút, áp suất và đường hồi)
• Lọc vòng thận ngoại tuyến để điều hòa dịch liên tục
• Bể chứa kín có ống thở không khí được lọc
• Phân tích dầu thường xuyên với tính năng đếm hạt
• Quy trình nghiêm ngặt trong quá trình bảo trì và lắp đặt linh kiện

Hệ thống lọc phải xử lý toàn bộ khối lượng hệ thống nhiều lần mỗi giờ. Thông số kỹ thuật phổ biến là lọc tổng lượng chất lỏng ít nhất 3-5 lần mỗi giờ trong quá trình vận hành, với chức năng lọc bổ sung qua thận liên tục đánh bóng dầu.

Ngoài ô nhiễm hạt, sự xuống cấp của chất lỏng do quá trình oxy hóa, phân hủy nhiệt và xâm nhập của nước đòi hỏi phải phân tích và thay thế chất lỏng định kỳ. Dầu thủy lực hiện đại bao gồm các gói phụ gia giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng, nhưng những chất phụ gia này sẽ cạn kiệt theo thời gian. Việc lấy mẫu chất lỏng định kỳ (thường là 500-1000 giờ hoạt động đối với các hệ thống quan trọng) đưa ra cảnh báo sớm về sự xuống cấp trước khi xảy ra hư hỏng thành phần.

Lập luận kinh tế cho việc kiểm soát ô nhiễm tích cực là rất thuyết phục. Mặc dù các bộ lọc chất lượng cao và các quy trình bảo trì nghiêm ngặt làm tăng chi phí vận hành nhưng những chi phí này không đáng kể so với chi phí do hỏng hóc thành phần sớm, ngừng hoạt động đột xuất và ngừng sản xuất. Các nghiên cứu trong ngành luôn chứng minh rằng mỗi đô la chi cho việc lọc thích hợp sẽ tiết kiệm được 5-10 đô la chi phí bảo trì và thay thế trong suốt vòng đời của hệ thống.

Bù nhiệt độ thêm một lớp tinh tế. Độ nhớt của dầu thủy lực thay đổi đáng kể theo nhiệt độ—thường trở nên loãng hơn 5-10 lần khi nhiệt độ tăng từ 20°C lên 80°C. Vì dòng chảy qua lỗ phụ thuộc một phần vào độ nhớt nên tốc độ dòng chảy có thể thay đổi theo nhiệt độ dầu ngay cả trong các thiết kế bù áp suất. Van điều khiển lưu lượng bù nhiệt độ kết hợp bộ phận nhạy cảm với nhiệt độ giúp điều chỉnh diện tích lỗ hiệu quả để chống lại sự thay đổi độ nhớt, duy trì lưu lượng thực sự ổn định trong phạm vi nhiệt độ vận hành.

Hiểu các loại van điều khiển thủy lực—phân loại, nguyên tắc vận hành, đặc tính hiệu suất và yêu cầu bảo trì—tạo nền tảng cho việc thiết kế các hệ thống thủy lực hiệu quả, đáng tin cậy. Việc phân loại chức năng thành điều khiển định hướng, áp suất và dòng chảy cung cấp một khuôn khổ logic để lựa chọn các thành phần thích hợp. Trong mỗi danh mục, các thiết kế van cụ thể giải quyết những thách thức kỹ thuật cụ thể, từ việc đạt được mức rò rỉ bằng 0 đến duy trì tốc độ không đổi dưới các mức tải khác nhau.

Quá trình lựa chọn phải cân bằng các yêu cầu về hiệu suất với độ nhạy nhiễm bẩn và khả năng bảo trì. Van servo có độ chính xác cao mang lại khả năng kiểm soát đặc biệt nhưng yêu cầu độ sạch ở cấp độ hàng không vũ trụ. Van tỷ lệ mạnh mẽ cung cấp hiệu suất tốt với các yêu cầu bảo trì dễ tha thứ hơn. Van tiết lưu đơn giản cung cấp chức năng cơ bản với chi phí tối thiểu nhưng không thể duy trì tốc độ ổn định khi có tải.

Tính toàn vẹn của hệ thống cuối cùng phụ thuộc vào việc duy trì độ sạch của chất lỏng thích hợp cho các bộ phận nhạy cảm nhất trong mạch điện. Kiểm soát ô nhiễm không phải là tùy chọn—đó là yêu cầu cơ bản quyết định liệu các bộ phận có đạt được tuổi thọ thiết kế hay hỏng hóc sớm hay không. Khi các hệ thống thủy lực tiếp tục phát triển với sự tích hợp kỹ thuật số và cảm biến thông minh, các nguyên tắc cơ bản về kiểm soát ô nhiễm, lựa chọn van phù hợp và bảo trì hệ thống sẽ vẫn là trọng tâm để đạt được hoạt động hiệu quả, đáng tin cậy.