Van điều khiển hướng thủy lực đóng vai trò là trung tâm chỉ huy của hệ thống năng lượng chất lỏng, xác định thời điểm, vị trí và cách thức chất lỏng có áp suất chảy đến bộ truyền động. Các van này điều khiển hướng dòng chất lỏng bằng cách mở, đóng hoặc thay đổi trạng thái kết nối của các đường dẫn bên trong. Đối với các kỹ sư thiết kế thiết bị di động, hệ thống tự động hóa công nghiệp hoặc máy móc hạng nặng, việc hiểu các loại van điều khiển hướng thủy lực khác nhau là điều cần thiết để phù hợp với khả năng của van với yêu cầu ứng dụng.
Việc phân loại van điều khiển hướng thủy lực theo nhiều chiều dựa trên cấu trúc vật lý, nguyên lý hoạt động và phương pháp điều khiển. Mỗi phân loại giải quyết các ranh giới hiệu suất cụ thể được xác định bởi cơ học chất lỏng, hiệu suất điện và nhu cầu tích hợp hệ thống.
[Hình ảnh tổng quan cấu trúc bên trong van điều khiển hướng thủy lực]Phân loại theo số đường và số vị trí
Phân loại cơ bản nhất của các loại van điều khiển hướng thủy lực sử dụng hệ thống ký hiệu W/P, trong đó W biểu thị số lượng cổng (cổng) và P biểu thị số vị trí mà van có thể duy trì. Quy ước đặt tên được tiêu chuẩn hóa này, phù hợp với các ký hiệu đồ họa ISO 1219-1, cung cấp cái nhìn sâu sắc ngay lập tức về chức năng của van.
Số cách chỉ các cổng kết nối bên ngoài trên thân van. Trong các ứng dụng công nghiệp tiêu chuẩn, các cổng này bao gồm P (cổng áp suất/bơm), T (cổng bể/cổng hồi) và các cổng làm việc thường được gắn nhãn A và B. Van 4 chiều kết nối với bốn đường dây bên ngoài, trong khi van 3 chiều có ba cổng và van 2 chiều chỉ cung cấp hai điểm kết nối.
Khi chỉ định các loại van điều khiển hướng thủy lực cho máy xúc di động, các kỹ sư thường chọn van 4/3 có tâm song song để giảm tải nhiệt của hệ thống thủy lực trong thời gian không tải, chấp nhận độ cứng giữ thấp hơn một chút để đánh đổi giữa quản lý nhiệt và tiết kiệm nhiên liệu.
Các loại van điều khiển hướng thủy lực phổ biến sử dụng phân loại này bao gồm van 2/2 để điều khiển bật tắt đơn giản, van 3/2 để điều khiển xi lanh tác động đơn, van 4/2 cho hoạt động xi lanh tác động kép cơ bản và van 4/3 đại diện cho cấu hình linh hoạt nhất để điều khiển bộ truyền động hai chiều với các điều kiện trung tâm xác định.
Van điều khiển hướng 4/3 đáng được quan tâm đặc biệt vì chức năng vị trí trung tâm của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hệ thống và lực giữ bộ truyền động. Có ba cấu hình trung tâm chính. Trung tâm đóng chặn tất cả các cổng với nhau, duy trì vị trí bộ truyền động với độ cứng tĩnh cao nhưng ngăn cản việc bơm không tải. Trung tâm song song (còn gọi là trung tâm P-to-T) kết nối cổng P với T đồng thời chặn cổng A và B, cho phép bơm dỡ hàng về bình chứa ở áp suất thấp trong thời gian chờ, giảm đáng kể việc sinh nhiệt và tiêu thụ điện năng. Trung tâm mở kết nối tất cả các cổng với nhau, hữu ích trong các mạch ưu tiên cụ thể nhưng cung cấp khả năng giữ bộ truyền động tối thiểu.
Khi chỉ định các loại van điều khiển hướng thủy lực cho máy xúc di động, các kỹ sư thường chọn van 4/3 có tâm song song để giảm tải nhiệt của hệ thống thủy lực trong thời gian không tải, chấp nhận độ cứng giữ thấp hơn một chút để đánh đổi giữa quản lý nhiệt và tiết kiệm nhiên liệu.
Phân loại theo thiết kế van: Van ống chỉ và Van Poppet
Ngoài số cổng và vị trí, các loại van điều khiển hướng thủy lực khác nhau cơ bản ở các bộ phận điều khiển dòng chảy bên trong của chúng. Hai thiết kế chính là van ống chỉ và van poppet, mỗi thiết kế đều có những ưu điểm riêng biệt dựa trên yêu cầu ứng dụng.
Van ống chỉ
Van ống chỉ sử dụng một ống cuộn hình trụ trượt trong lỗ khoan được gia công chính xác để mở và đóng đường dẫn dòng chảy. Ống cuộn chứa các vùng đất (bề mặt bịt kín) và các rãnh (các đoạn dòng chảy). Khi ống cuộn di chuyển theo trục, nó sẽ mở ra hoặc chặn các cổng được gia công vào thân van. Thiết kế này cho phép định vị vô hạn giữa các trạng thái riêng biệt, làm cho van điều khiển hướng thủy lực kiểu ống chỉ lý tưởng cho các ứng dụng tỷ lệ và servo yêu cầu điều chế dòng chảy chính xác. Độ chính xác trong sản xuất của van ống cuộn đòi hỏi độ hở xuyên tâm chặt chẽ, thường từ 5 đến 25 micromet, giữa ống cuộn và lỗ khoan để giảm thiểu rò rỉ bên trong đồng thời cho phép vận hành trơn tru.
Các khe hở chặt chẽ cho phép bịt kín tốt cũng làm cho van ống cuộn nhạy cảm với sự nhiễm bẩn chất lỏng. Các hạt lớn hơn khe hở xuyên tâm có thể làm cho ống cuộn bị dính hoặc bị kẹt, dẫn đến hỏng hệ thống. Do đó, hệ thống sử dụng van điều khiển hướng kiểu ống cuộn phải duy trì độ sạch chất lỏng nghiêm ngặt, điển hình là mã độ sạch ISO 4406 là 18/16/13 hoặc cao hơn cho các ứng dụng công nghiệp tiêu chuẩn, với các van servo yêu cầu mức độ chặt chẽ hơn như 16/14/11.
Van Poppet
Van Poppet sử dụng các phần tử hình nón hoặc hình cầu tựa vào các đế van được gia công để chặn dòng chảy. Khi được kích hoạt, con rối sẽ nhấc khỏi chỗ ngồi của nó, cho phép dòng chảy xung quanh phần tử. Thiết kế ghế và đĩa này mang lại khả năng bịt kín vượt trội với độ rò rỉ bên trong về cơ bản là bằng 0 ở vị trí đóng, làm cho van điều khiển hướng thủy lực kiểu búp bê trở nên tuyệt vời cho các ứng dụng yêu cầu ngắt chặt hoặc giữ tải chống lại trọng lực mà không bị trôi.
[Hình ảnh so sánh mặt cắt ngang giữa van ống và van poppet]Van Poppet thể hiện khả năng chịu ô nhiễm cao hơn đáng kể so với van ống chỉ vì các hạt không bị mắc kẹt trong các khe hở chật hẹp. Thiết kế hình con rối đáp ứng mức độ sạch của chất lỏng theo tiêu chuẩn ISO 4406 20/18/15 hoặc thậm chí cao hơn một chút mà không có nguy cơ hỏng hóc ngay lập tức. Sự mạnh mẽ này làm cho van poppet trở nên hấp dẫn đối với các thiết bị di động hoạt động trong môi trường bẩn như khai thác mỏ, nông nghiệp hoặc xây dựng.
Tuy nhiên, cơ chế chỗ ngồi và đĩa tạo ra lực dòng thay đổi phi tuyến tính khi con búp bê mở ra, khiến việc điều khiển tỷ lệ chính xác trở nên khó khăn hơn so với thiết kế ống chỉ. Van điều khiển hướng kiểu poppet thường hoạt động ở các vị trí riêng biệt thay vì điều chỉnh dòng chảy liên tục.
| đặc trưng | Van ống chỉ | Van Poppet |
|---|---|---|
| Rò rỉ bên trong | Nhỏ nhưng hiện diện do độ hở xuyên tâm (thường là 0,1-1,0 L/phút ở áp suất định mức) | Về cơ bản bằng không khi ngồi |
| Dung sai ô nhiễm | Thấp - yêu cầu ISO 4406 18/16/13 hoặc cao hơn | Cao - dung sai ISO 4406 20/18/15 hoặc cao hơn |
| Khả năng kiểm soát tỷ lệ | Tuyệt vời - điều chế mượt mà trên toàn bộ hành trình | Lực dòng chảy hạn chế - phi tuyến làm phức tạp việc điều khiển |
| Giảm áp suất | Trung bình và tương đối ổn định trên phạm vi dòng chảy | Có thể cao hơn, thay đổi theo vị trí mở |
| Cơ chế kích hoạt | Định vị chính xác, hệ thống servo, tự động hóa công nghiệp | Thiết bị di động, tải trọng, môi trường bị ô nhiễm |
Phân loại theo phương pháp truyền động
Ngoài số cổng và vị trí, các loại van điều khiển hướng thủy lực khác nhau cơ bản ở các bộ phận điều khiển dòng chảy bên trong của chúng. Hai thiết kế chính là van ống chỉ và van poppet, mỗi thiết kế đều có những ưu điểm riêng biệt dựa trên yêu cầu ứng dụng.
Hoạt động thủ công sử dụng đầu vào vật lý của người vận hành thông qua đòn bẩy, nút ấn hoặc bàn đạp. Các van này không yêu cầu nguồn điện bên ngoài và cung cấp phản hồi trực tiếp cho người vận hành thông qua kết nối cơ học. Van điều khiển hướng thủ công vẫn phổ biến trong các thiết bị di động cho các chức năng khẩn cấp hoặc làm hệ thống dự phòng, mặc dù chúng hạn chế tiềm năng tự động hóa và yêu cầu sự có mặt của người vận hành.
Truyền động cơ học sử dụng các công tắc giới hạn, cam hoặc đòn bẩy con lăn tiếp xúc vật lý với các bộ phận của máy chuyển động để kích hoạt sự dịch chuyển của van. Một trung tâm gia công có thể sử dụng van điều khiển hướng được dẫn động bằng cam để tự động đảo ngược bàn thủy lực khi nó kết thúc hành trình. Truyền động cơ học cung cấp trình tự đáng tin cậy mà không cần nguồn điện nhưng thiếu tính linh hoạt cho logic lập trình.
Truyền động bằng khí nén sử dụng khí nén tác động lên piston hoặc màng ngăn để dịch chuyển van. Những van điều khiển hướng điều khiển bằng không khí này rất phổ biến trong tự động hóa công nghiệp trước khi điều khiển điện tử trở nên thống trị. Chúng vẫn xuất hiện trong môi trường dễ cháy nổ, nơi việc chuyển đổi điện có nguy cơ gây cháy nổ.
Truyền động bằng điện từ là phương pháp phổ biến nhất trong các hệ thống thủy lực hiện đại. Một cuộn dây điện từ tạo ra lực khi được cấp điện, kéo một phần ứng làm dịch chuyển trực tiếp phần tử van hoặc điều khiển áp suất phi công theo thiết kế hai giai đoạn. Van điều khiển hướng vận hành bằng điện tích hợp liền mạch với bộ điều khiển logic khả trình (PLC) và cho phép thực hiện các chuỗi tự động phức tạp.
Việc lựa chọn giữa các phương pháp truyền động này phụ thuộc vào kiến trúc điều khiển, yêu cầu an toàn và hạn chế về môi trường. Tuy nhiên, trong các van dẫn động bằng điện từ, một bộ phận quan trọng xuất hiện ảnh hưởng cơ bản đến công suất dòng chảy và hiệu suất điện.
Tác động trực tiếp và điều hành thí điểm: Nguyên tắc hoạt động cốt lõi
Trong số các loại van điều khiển hướng thủy lực được dẫn động bằng điện, sự khác biệt giữa thiết kế tác động trực tiếp và thiết kế vận hành bằng phi công có lẽ là ranh giới hiệu suất quan trọng nhất. Hai kiến trúc này giải quyết thách thức kỹ thuật cơ bản là tạo ra đủ lực để dịch chuyển phần tử van chống lại lực chất lỏng và tải trọng lò xo.
Van điện từ tác động trực tiếp
Van điện từ tác động trực tiếp sử dụng lực điện từ từ cuộn dây để di chuyển trực tiếp ống van chính hoặc ống van. Khi cuộn dây được cấp điện, từ trường sinh ra sẽ kéo phần ứng, phần ứng này kết nối cơ học với phần tử van. Cơ chế đơn giản này cung cấp một số lợi thế. Van tác động trực tiếp không yêu cầu chênh lệch áp suất giữa đầu vào và đầu ra để hoạt động, nghĩa là chúng có thể hoạt động từ 0 bar đến áp suất hệ thống tối đa. Sự độc lập về áp suất này làm cho các van điều khiển hướng tác động trực tiếp trở nên cần thiết cho các ứng dụng trong đó van phải dịch chuyển trước khi áp suất hệ thống tăng lên, chẳng hạn như trong quá trình khởi động máy hoặc trong các mạch điều khiển áp suất thấp.
Thời gian đáp ứng của van tác động trực tiếp thường nhanh hơn so với thiết kế vận hành bằng phi công vì chỉ tồn tại một giai đoạn cơ học. Thời gian chuyển mạch dưới 20 mili giây có thể đạt được bằng các van tác động trực tiếp nhỏ, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng yêu cầu đạp xe nhanh.
Tuy nhiên, các thiết kế tác động trực tiếp phải đối mặt với những hạn chế nghiêm trọng về khả năng dòng chảy. Bộ điện từ phải tạo ra lực đủ để thắng lực chất lỏng tác dụng lên phần tử van, lực ma sát và lực hồi xuân của lò xo. Lực chất lỏng tăng theo cả áp suất và diện tích dòng chảy. Khi kích thước van tăng lên để xử lý tốc độ dòng chảy cao hơn, đường kính ống cuộn và kích thước cổng phải tăng lên, làm tăng đáng kể lực chất lỏng chống lại chuyển động của van. Để khắc phục những lực lớn hơn này, kích thước điện từ và công suất điện đầu vào phải tăng đáng kể.
Mối quan hệ này tạo ra một trần kinh tế và nhiệt. Van điều khiển hướng tác động trực tiếp xử lý hơn khoảng 60 lít mỗi phút ở áp suất cao đòi hỏi các cuộn dây điện từ quá lớn và ngốn điện đến mức thiết kế trở nên không thực tế. Công suất điện có thể đạt từ 50 đến 100 watt trở lên, tạo ra lượng nhiệt đáng kể cần tiêu tán qua thân van và bề mặt lắp đặt. Trong các hệ thống thủy lực nhỏ gọn hoặc các tủ điện có mật độ dày đặc, tải nhiệt này có thể gây ra các vấn đề về độ tin cậy.
Van điện từ vận hành thí điểm
Van điện từ vận hành thí điểm giải quyết hạn chế dòng chảy thông qua thiết kế hai giai đoạn. Bộ điện từ điều khiển một van thí điểm nhỏ dẫn chất lỏng điều khiển đến các khoang ở hai đầu ống chính. Sự chênh lệch áp suất trên ống cuộn chính do dòng thí điểm này tạo ra sẽ tạo ra lực đủ để dịch chuyển ống cuộn chính bất kể kích thước của nó. Trong kiến trúc này, bộ điện từ chỉ thực hiện việc tạo tín hiệu, đòi hỏi ít năng lượng điện hơn so với thiết kế tác động trực tiếp xử lý cùng một luồng. Van điều khiển hướng vận hành bằng thí điểm có thể quản lý hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn lít mỗi phút trong khi duy trì mức tiêu thụ điện từ dưới 10 đến 20 watt.
Nhu cầu điện giảm đồng nghĩa với việc sinh nhiệt thấp hơn, vỏ điện từ nhỏ hơn và quản lý nhiệt đơn giản hơn. Đối với các ứng dụng dòng chảy cao, các thiết kế vận hành thí điểm không chỉ được ưa chuộng hơn mà còn cần thiết từ cả quan điểm kỹ thuật và kinh tế.
Sự đánh đổi để đạt được hiệu quả này là sự phụ thuộc vào áp lực. Các van vận hành bằng trục điều khiển yêu cầu chênh lệch áp suất đủ giữa buồng áp suất đầu vào và buồng điều khiển để tạo ra lực cần thiết cho việc dịch chuyển ống chính. Nếu áp suất hệ thống không đủ trong quá trình khởi động hoặc xảy ra lỗi, ống cuộn chính có thể không dịch chuyển hoàn toàn hoặc có thể dịch chuyển chậm. Áp suất thí điểm tối thiểu thường dao động từ 3 đến 5 bar tùy thuộc vào kích thước van. Các nhà thiết kế phải đảm bảo rằng nguồn áp suất cung cấp cho mạch điều khiển vẫn đáng tin cậy, cho dù được lấy từ bên trong đường áp suất chính hay được cung cấp từ bộ tích lũy bên ngoài hoặc máy bơm riêng biệt.
Thời gian đáp ứng cũng khác nhau. Các van vận hành bằng trục điều khiển phải lấp đầy và xả các buồng thí điểm ở mỗi đầu ống chỉ để tạo ra sự chênh lệch áp suất khi chuyển số. Độ trễ thủy lực này làm tăng thêm thời gian chuyển mạch từ 10 đến 50 mili giây so với các van tác động trực tiếp có kích thước tương tự. Đối với hầu hết các ứng dụng công nghiệp và di động, độ trễ này vẫn có thể chấp nhận được, nhưng các ứng dụng đạp xe tần số cao có thể yêu cầu các van tác động trực tiếp bất chấp những hạn chế về dòng chảy của chúng.
| Khía cạnh hiệu suất | DCV điện từ tác động trực tiếp | DCV điện từ vận hành thí điểm |
|---|---|---|
| Cơ chế kích hoạt | Solenoid trực tiếp di chuyển ống van/con rối | Van điều khiển điện từ; áp suất phi công thay đổi ống chỉ chính |
| Yêu cầu chênh lệch áp suất | Không có - hoạt động từ 0 bar đến áp suất tối đa | Yêu cầu chênh lệch tối thiểu 3-5 bar để chuyển số đáng tin cậy |
| Phạm vi công suất dòng chảy | Thấp đến trung bình (thường lên tới 60 L/phút) | Trung bình đến rất cao (lên tới 1000+ L/phút) |
| Tiêu thụ điện từ | Cao (20-100+ watt cho kích thước lớn hơn) | Thấp (thường là 5-20 watt bất kể công suất dòng chảy) |
| Tạo nhiệt | Đáng kể với năng lượng liên tục | Tối thiểu |
| Thời gian đáp ứng | Nhanh (thường là 10-30 ms) | Trung bình (30-80 ms do nạp/rút mạch thí điểm) |
| Cơ chế kích hoạt | Mạch dòng chảy thấp, khởi động không áp suất, điều khiển thí điểm | Mạch điện chính, hệ thống dòng chảy cao, thiết bị di động |
Các kỹ sư lựa chọn các loại van điều khiển hướng thủy lực cho mạch máy xúc 200 lít mỗi phút sẽ chỉ định các van vận hành thí điểm cho các chức năng cần trục, tay đòn và gầu chính để giảm thiểu tải nhiệt điện và độ phức tạp của việc điều khiển. Tuy nhiên, cùng một máy có thể sử dụng các van tác động trực tiếp trong các mạch phụ trợ dòng chảy thấp như cơ cấu khóa dụng cụ phải hoạt động đáng tin cậy ở áp suất hệ thống bằng 0.
Điều khiển nâng cao: Van điều khiển hướng tỷ lệ và servo
Trong khi các van điều khiển hướng tiêu chuẩn hoạt động ở trạng thái bật tắt riêng biệt, các loại van điều khiển hướng thủy lực tiên tiến cung cấp khả năng điều chỉnh dòng chảy và áp suất liên tục thông qua điều khiển tỷ lệ hoặc điều khiển servo. Những van này đại diện cho hiệu suất cao và độ phức tạp.
Van điều khiển hướng tỷ lệ sử dụng các cuộn dây điện từ tỷ lệ để tạo ra lực tỷ lệ với dòng điện đầu vào thay vì nam châm điện bật tắt đơn giản. Bằng cách thay đổi tín hiệu lệnh từ bộ điều khiển, vị trí ống van có thể được điều chỉnh liên tục trong toàn bộ hành trình của nó. Điều này cho phép kiểm soát chính xác tốc độ, gia tốc và lực của bộ truyền động. Van tỷ lệ có thể điều khiển chuyển động cần cẩu của cần trục, giúp khởi động trơn tru, định vị chính xác và dừng nhẹ nhàng thay vì chuyển động đột ngột được tạo ra bằng cách bật hoặc tắt van điều khiển hướng tiêu chuẩn.
Van điều khiển hướng tỷ lệ thường bao gồm thiết bị điện tử tích hợp và cảm biến phản hồi vị trí, thường là máy biến áp vi sai biến thiên tuyến tính (LVDT), để đóng vòng điều khiển bên trong. Các thiết bị điện tử trên bo mạch so sánh vị trí được lệnh với vị trí ống cuộn thực tế được đo bằng cảm biến, điều chỉnh dòng điện từ để loại bỏ lỗi định vị. Cấu trúc vòng kín này bù đắp cho sự thay đổi về ma sát, lực chất lỏng và áp suất cung cấp có thể gây ra sự thiếu chính xác về định vị.
Van điều khiển hướng servo mở rộng khái niệm van tỷ lệ để đạt được hiệu suất cao hơn nữa. Các van này sử dụng động cơ mô-men xoắn, cơ cấu vòi phun hoặc cấu hình ống phản lực để đạt được thời gian phản hồi dưới 10 mili giây và đáp ứng tần số vượt quá 100 Hz. Van servo cho phép các ứng dụng yêu cầu điều khiển nhanh chóng, chính xác như bộ mô phỏng chuyển động, máy kiểm tra vật liệu và hệ thống giảm rung chủ động.
Nhu cầu về hiệu suất của các loại van điều khiển hướng thủy lực tỷ lệ và servo dẫn đến nhu cầu về giao diện truyền thông kỹ thuật số. Tín hiệu điều khiển tương tự truyền thống sử dụng vòng dòng điện 4-20 mA hoặc 0-10 VDC bị nhiễu điện, lệch tín hiệu và khả năng chẩn đoán hạn chế. Khi thời gian đáp ứng của van giảm và các yêu cầu về định vị bị thắt chặt, tính toàn vẹn của tín hiệu analog trở thành yếu tố hạn chế về hiệu suất hệ thống.
Tích hợp kỹ thuật số: Giao thức IO-Link trong các van điều khiển hướng hiệu suất cao
Sự chuyển đổi công nghiệp theo hướng kết nối Công nghiệp 4.0 đã tạo ra những thay đổi đáng kể về cách các loại van điều khiển hướng thủy lực tiên tiến giao tiếp với các hệ thống điều khiển. Các giao thức truyền thông kỹ thuật số, đặc biệt là IO-Link, giải quyết các hạn chế của tín hiệu analog đồng thời cho phép khả năng chẩn đoán không thể thực hiện được bằng hệ thống dây truyền thống.
IO-Link thiết lập giao tiếp kỹ thuật số điểm-điểm giữa van và bộ điều khiển chính qua cáp không được che chắn tiêu chuẩn. Cáp đơn này mang điện, tín hiệu lệnh kỹ thuật số và truyền dữ liệu hai chiều. Không giống như các mạng fieldbus yêu cầu cáp có vỏ bọc đắt tiền và cấu hình mạng phức tạp, IO-Link sử dụng kết nối ba dây đơn giản trong khi vẫn duy trì khả năng chống nhiễu mạnh mẽ thông qua mã hóa kỹ thuật số.
Ưu điểm của van điều khiển hướng tỷ lệ và servo là rất đáng kể. Các lệnh kỹ thuật số loại bỏ hiện tượng lệch tín hiệu và thu nhiễu làm giảm độ chính xác tương tự. Việc thay đổi tham số có thể được thực hiện thông qua phần mềm thay vì điều chỉnh vật lý, giúp giảm đáng kể thời gian vận hành. Quan trọng nhất, IO-Link cung cấp quyền truy cập liên tục vào dữ liệu van bên trong bao gồm nhiệt độ cuộn dây, số giờ hoạt động tích lũy, số chu kỳ, phản hồi vị trí ống chỉ và mã lỗi chi tiết.
[Hình ảnh sơ đồ kết nối van thủy lực kỹ thuật số IO-Link]Luồng dữ liệu chẩn đoán này cho phép thực hiện các chiến lược giám sát tình trạng mà trước đây không thể thực hiện được. Bằng cách theo dõi xu hướng nhiệt độ cuộn dây theo thời gian, hệ thống có thể phát hiện sự xuống cấp dần dần của đường làm mát hoặc sự cố cách điện trước khi xảy ra sự cố nghiêm trọng. Việc theo dõi độ lệch thời gian phản hồi cho thấy sự hao mòn trong giai đoạn thử nghiệm hoặc sự gia tăng ma sát do ô nhiễm gây ra. Những hiểu biết sâu sắc này cho phép lập kế hoạch bảo trì dự đoán giúp giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến.
Trong số các loại van điều khiển hướng thủy lực được dẫn động bằng điện, sự khác biệt giữa thiết kế tác động trực tiếp và thiết kế vận hành bằng phi công có lẽ là ranh giới hiệu suất quan trọng nhất. Hai kiến trúc này giải quyết thách thức kỹ thuật cơ bản là tạo ra đủ lực để dịch chuyển phần tử van chống lại lực chất lỏng và tải trọng lò xo.
Tiêu chí lựa chọn các loại van điều khiển hướng thủy lực khác nhau
Việc lựa chọn các loại van điều khiển hướng thủy lực thích hợp đòi hỏi phải đánh giá một cách có hệ thống trên nhiều khía cạnh hiệu suất. Khung quyết định phải cân bằng các yêu cầu về năng lượng chất lỏng, các hạn chế về điện, yêu cầu điều khiển và các yếu tố kinh tế.
Tốc độ dòng chảy là yếu tố quyết định chính. Các ứng dụng cần ít hơn 60 lít mỗi phút có thể sử dụng van tác động trực tiếp hoặc van điều khiển bằng thí điểm, với sự lựa chọn được điều khiển bởi áp suất sẵn có và nhu cầu về thời gian đáp ứng. Các hệ thống xử lý tốc độ dòng chảy cao hơn phải sử dụng các van vận hành thí điểm để tránh kích thước điện từ quá mức và sinh nhiệt. Việc cố gắng xác định các van tác động trực tiếp cho các ứng dụng dòng chảy cao sẽ dẫn đến các thiết kế không kinh tế với những thách thức nghiêm trọng về quản lý nhiệt.
Phạm vi áp suất vận hành có ý nghĩa khác nhau đối với hai loại van chính. Van điều khiển hướng tác động trực tiếp xử lý toàn bộ phạm vi áp suất từ 0 đến tối đa của hệ thống, khiến chúng trở thành bắt buộc đối với các mạch phải hoạt động trước khi tăng áp suất hoặc trong các tình huống mất áp suất. Van vận hành bằng thí điểm yêu cầu chênh lệch áp suất tối thiểu để vận hành đáng tin cậy, thường là 3 đến 5 bar. Các ứng dụng không thể đảm bảo mức tối thiểu này cần có van tác động trực tiếp hoặc bố trí nguồn cung cấp trục điều khiển bên ngoài.
Nhu cầu về độ chính xác của điều khiển xác định xem van bật tắt tiêu chuẩn có đủ hay không hoặc liệu van điều khiển hướng tỷ lệ hoặc trợ động có cần thiết hay không. Các thao tác tuần tự đơn giản như kẹp, kéo dài hoặc rút lại chỉ yêu cầu chuyển đổi vị trí riêng biệt. Các ứng dụng yêu cầu cấu hình chuyển động mượt mà, định vị chính xác hoặc điều chỉnh lực yêu cầu điều khiển tỷ lệ. Các ứng dụng cực kỳ năng động như ổn định chủ động hoặc theo dõi băng thông cao yêu cầu van servo mặc dù yêu cầu bảo trì và chi phí cao hơn.
Khả năng làm sạch chất lỏng phải phù hợp với độ nhạy của thiết kế van. Van điều khiển hướng loại ống cuộn yêu cầu bảo trì độ sạch nghiêm ngặt, điển hình là ISO 4406 18/16/13 hoặc cao hơn, với các van phụ yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn nữa. Các ứng dụng trong môi trường bị ô nhiễm hoặc nơi bảo trì bộ lọc có thể không nhất quán nên ưu tiên các loại van dạng poppet chịu được mức độ ô nhiễm ISO 4406 20/18/15 hoặc cao hơn một chút.
Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến cả loại van và phương pháp tích hợp. Thiết bị di động chịu rung động, nhiệt độ cực cao và điều kiện bẩn thường sử dụng van poppet vận hành bằng phi công với giao diện cơ học chắc chắn. Tự động hóa công nghiệp trong môi trường được kiểm soát có thể tận dụng van ống với điều khiển tỷ lệ và kết nối mạng kỹ thuật số. Môi trường dễ nổ có thể bắt buộc phải vận hành bằng khí nén hoặc các thiết kế điện an toàn về bản chất bất kể các ưu tiên khác.
Sự sẵn có của nguồn điện và những hạn chế về quản lý nhiệt đôi khi lấn át những cân nhắc về thủy lực. Một thiết bị điện-thủy lực nhỏ gọn có khả năng làm mát hạn chế có thể chỉ định các van vận hành thí điểm hoàn toàn để giảm sinh nhiệt, chấp nhận sự phụ thuộc vào áp suất như một sự đánh đổi cần thiết. Ngược lại, một máy di động có công suất điện và khả năng làm mát dồi dào nhưng hoạt động trong hệ thống cảm biến tải có thể sử dụng van tác động trực tiếp để duy trì sự độc lập về áp suất.
Kiến trúc tích hợp ngày càng ảnh hưởng đến quyết định lựa chọn. Các hệ thống được thiết kế để kết nối Công nghiệp 4.0 phải chỉ định các van điều khiển hướng theo tỷ lệ hoặc servo với giao diện IO-Link hoặc fieldbus để cho phép thu thập dữ liệu chẩn đoán và các chiến lược bảo trì dự đoán. Các hệ thống truyền thống không có cơ sở hạ tầng dữ liệu có thể tiếp tục sử dụng van analog hoặc van bật tắt cho đến khi nâng cấp hệ thống điều khiển rộng hơn để hỗ trợ chuyển đổi kỹ thuật số.
Các ứng dụng phổ biến của loại van điều khiển hướng thủy lực
Các loại van điều khiển hướng thủy lực khác nhau thống trị các danh mục ứng dụng cụ thể dựa trên đặc tính hiệu suất của chúng phù hợp với yêu cầu của ngành.
Các thiết bị xây dựng di động như máy xúc, máy xúc bánh lốp và máy ủi chủ yếu sử dụng các van điều khiển hướng cảm biến tải, vận hành bằng phi công ở cấu hình 4/3. Những máy này yêu cầu công suất dòng chảy cao (thường từ 200 đến 600 lít mỗi phút) để cung cấp năng lượng cho xi lanh cần trục lớn và động cơ di chuyển trong khi vẫn duy trì độ phức tạp hợp lý của hệ thống điện. Thiết kế vận hành bằng thí điểm giữ cho điện từ tiêu thụ ở mức thấp mặc dù tốc độ dòng chảy cao. Mạch cảm biến tải với van trung tâm song song giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trong thời gian không tải, một lợi thế quan trọng trong chu kỳ làm việc với thời gian chờ đợi đáng kể giữa các chu kỳ làm việc.
Máy kéo nông nghiệp sử dụng các loại van tương tự để điều khiển nông cụ nhưng thường bao gồm các van điều khiển hướng tỷ lệ điện thủy lực cho các móc và hệ thống lái, nơi chuyển động trơn tru giúp cải thiện sự thoải mái và độ chính xác của người vận hành. Môi trường khắc nghiệt, bẩn thỉu điển hình của các hoạt động nông nghiệp tạo điều kiện thuận lợi cho các van kiểu poppet trong các mạch thực hiện chính, nơi khả năng chịu ô nhiễm vượt xa lợi ích của việc kiểm soát ống cuộn theo tỷ lệ.
Máy ép phun công nghiệp sử dụng van điều khiển hướng tỷ lệ loại ống chỉ để điều khiển trình tự mở, đóng và đẩy khuôn. Việc kiểm soát tốc độ chính xác cho phép tối ưu hóa thời gian chu kỳ đồng thời ngăn ngừa hư hỏng khuôn hoặc các bộ phận. Môi trường nhà máy được kiểm soát cho phép duy trì độ sạch chất lỏng nghiêm ngặt mà các van chất lượng phụ này yêu cầu. Cấu hình van trung tâm đóng duy trì sự kiểm soát chặt chẽ vị trí khuôn dưới tải áp suất phun.
Thủy lực máy công cụ cho máy phay, máy mài và máy tiện thường sử dụng các van điều khiển hướng tỷ lệ hoặc trợ động điều khiển tốc độ tiến dao của trục và kẹp dao. Độ chính xác định vị và chuyển động mượt mà cần thiết cho chất lượng hoàn thiện bề mặt đòi hỏi khả năng điều chế liên tục mà các loại van này cung cấp. Trong các máy công cụ cao cấp, van servo có tần số đáp ứng trên 100 Hz cho phép giảm rung giúp cải thiện chất lượng cắt.
Əməliyyat üçün xüsusi vasitələr tələb etmir - asanlıqla sadə və səmərəli hala gətirərək asanlıqla yırtıla bilər. Taşlama ilə istifadə olunmaqdan əlavə, çiləmədən əvvəl maskalanma üçün də istifadə edilə bilər. Birləşdirildikdə
Các máy móc trên boong tàu biển như cần cẩu, tời và nắp hầm sử dụng các van điều khiển hướng do phi công vận hành chắc chắn có khả năng hoạt động trong môi trường nước mặn ăn mòn. Các van này thường sử dụng thiết kế hình búp bê để ngắt chặt khi giữ tải trọng treo và sử dụng vỏ điện từ chống cháy nổ để đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn hàng hải.
Các mạch khí nén đơn giản điều khiển máy ép thủy lực, bàn nâng hoặc thiết bị xử lý vật liệu thường sử dụng các van điều khiển hướng 4/2 hoặc 4/3 tác động trực tiếp cơ bản. Các ứng dụng này coi trọng sự đơn giản và chi phí thấp so với các tính năng tiên tiến và yêu cầu lưu lượng khiêm tốn của chúng (thường dưới 40 lít mỗi phút) vẫn nằm trong khả năng của van tác động trực tiếp.
Xu hướng mới nổi trong công nghệ van điều khiển hướng thủy lực
Sự phát triển của các loại van điều khiển hướng thủy lực tiếp tục diễn ra theo một số con đường song song được thúc đẩy bởi sự tích hợp Công nghiệp 4.0, yêu cầu tiết kiệm năng lượng và nhu cầu thu nhỏ.
Các giao thức truyền thông kỹ thuật số đang mở rộng ra ngoài các van phụ và van tỷ lệ hiệu suất cao thành các van điều khiển hướng bật tắt tiêu chuẩn. Khi chi phí gia tăng của thiết bị điện tử giao diện IO-Link giảm, ngay cả các van 4/3 cơ bản hiện cũng cung cấp các tùy chọn kết nối kỹ thuật số. Việc dân chủ hóa dữ liệu chẩn đoán này cho phép giám sát tình trạng trên toàn bộ hệ thống thủy lực thay vì chỉ các bộ phận cao cấp, cải thiện hiệu quả thiết bị tổng thể (OEE) thông qua lập kế hoạch bảo trì tốt hơn.
Áp suất tiết kiệm năng lượng thúc đẩy việc áp dụng các thiết kế vị trí trung tâm tiên tiến và hệ thống thủy lực cảm nhận tải trọng. Thiết bị di động hiện đại ngày càng sử dụng các van điều khiển hướng tỷ lệ với bộ điều khiển điện tử thực hiện các thuật toán bù áp suất phức tạp, giảm tổn thất điện năng vốn có ở các bộ chia dòng truyền thống và van ưu tiên. Một số hệ thống hiện nay sử dụng các động cơ điện riêng lẻ dẫn động các máy bơm nhỏ ở mỗi bộ truyền động, loại bỏ hoàn toàn van điều khiển hướng để chuyển sang các bộ truyền động điện-thủy lực (EHA).
Việc tích hợp van tiếp tục nén nhiều chức năng vào một thân duy nhất. Van điều khiển hướng gắn trên ống góp ngày càng kết hợp bù áp suất, van kiểm tra giữ tải và điều khiển điện tử trực tiếp trong cụm van thay vì yêu cầu các bộ phận riêng biệt. Sự tích hợp này làm giảm các điểm rò rỉ, đơn giản hóa việc lắp ráp và giảm dấu chân vật lý của hệ thống thủy lực.
Những cải tiến về khả năng chịu ô nhiễm tập trung vào việc kéo dài thời gian bảo dưỡng và giảm tổng chi phí sở hữu. Một số nhà sản xuất hiện cung cấp các thiết kế kết hợp kết hợp khả năng chịu đựng ô nhiễm của van poppet với điều chế dòng chảy liên tục tiếp cận hiệu suất của van ống thông qua các thuật toán điều khiển và hình học chỗ ngồi phức tạp.
Các yêu cầu về an toàn chức năng từ các tiêu chuẩn như ISO 13849 và IEC 61508 ngày càng ảnh hưởng đến việc thiết kế van điều khiển hướng. Các van được xếp hạng an toàn bao gồm các cảm biến dự phòng, phạm vi chẩn đoán cho các chế độ lỗi tiềm ẩn và giám sát tích hợp để phát hiện các lỗi nguy hiểm. Những tính năng này cho phép hệ thống thủy lực đạt được mức toàn vẹn an toàn cần thiết (SIL 2 hoặc SIL 3) mà trước đây khó đạt được với các bộ phận truyền động chất lỏng.
Việc hiểu đầy đủ các loại van điều khiển hướng thủy lực cho phép các kỹ sư đưa ra quyết định sáng suốt nhằm tối ưu hóa hiệu suất, độ tin cậy và chi phí của hệ thống. Việc phân loại theo số cách và vị trí, thiết kế phần tử van, phương pháp dẫn động và nguyên lý vận hành cung cấp một khung có cấu trúc để lựa chọn van. Trong khuôn khổ này, sự khác biệt cơ bản giữa thiết kế tác động trực tiếp và thiết kế do phi công vận hành đặt ra các ranh giới về công suất dòng chảy mà không mức độ tối ưu hóa thiết kế nào có thể vượt qua. Công nghệ trợ động và tỷ lệ giúp mở rộng độ chính xác điều khiển cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe đồng thời thúc đẩy việc áp dụng các giao diện kỹ thuật số biến đổi các van từ các bộ phận thụ động thành các nút thông minh trong kiến trúc điều khiển nối mạng. Khi hệ thống thủy lực phát triển theo hướng tích hợp chặt chẽ hơn với mạng lưới công nghiệp và tiêu chuẩn hiệu suất cao hơn, việc kết hợp khả năng của van với yêu cầu ứng dụng ngày càng trở nên phức tạp, đòi hỏi kiến thức sâu sắc về cả cơ học chất lỏng và kỹ thuật hệ thống điều khiển.
