Tìm hiểu về van điều khiển hướng

Van điều khiển hướng (DCV) là một bộ phận thủy lực hoặc khí nén quản lý đường dẫn dòng chảy của chất lỏng làm việc trong hệ thống truyền tải điện. Van kiểm soát xem chất lỏng có chảy hay không, nó chảy ở đâu và khi nào dòng chảy bắt đầu hoặc dừng lại. Bằng cách thay đổi các hướng dòng chảy này, van định hướng xác định cách các bộ truyền động như xi lanh thủy lực hoặc động cơ di chuyển, biến nó thành trung tâm chỉ huy cho bất kỳ mạch năng lượng chất lỏng nào.

Hãy coi van điều khiển hướng như một thiết bị điều khiển chuyển mạch đường sắt. Giống như một công tắc điều khiển các đoàn tàu đi vào các đường ray khác nhau, một van định hướng sẽ dẫn chất lỏng có áp đến các cổng và kênh khác nhau. Khả năng định tuyến này cho phép một máy bơm hoặc máy nén duy nhất cấp nguồn cho nhiều bộ truyền động theo nhiều hướng và trình tự khác nhau. Van nằm giữa nguồn điện (máy bơm) và các bộ phận làm việc (xi lanh, động cơ), chuyển tín hiệu điều khiển thành các chuyển động chất lỏng chính xác.

Trong kỹ thuật năng lượng chất lỏng, ba yếu tố điều khiển cơ bản xác định hoạt động của hệ thống: điều khiển hướng, điều khiển áp suất và điều khiển dòng chảy. Van định hướng xử lý độc quyền trách nhiệm đầu tiên, mặc dù đặc tính chuyển mạch của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hai thông số còn lại. Khi van định hướng thay đổi vị trí, áp suất tăng vọt nhất thời có thể xảy ra, cần phải phối hợp với các van giảm áp. Tương tự, các đường dẫn dòng chảy bên trong của van ảnh hưởng đến khả năng cản dòng chảy tổng thể của hệ thống và hiệu quả sử dụng năng lượng.

Cơ chế hoạt động: Thiết kế ống chỉ và hình múa rối

Van định hướng đạt được khả năng kiểm soát dòng chảy thông qua hai thiết kế cơ học chính: van ống chỉ và van hình búp bê. Mỗi thiết kế đều có những ưu điểm riêng biệt dựa trên yêu cầu ứng dụng.

Hoạt động của van ống chỉ

Van ống chỉ đại diện cho thiết kế điều khiển hướng phổ biến nhất trong hệ thống thủy lực. Cơ cấu cốt lõi bao gồm một ống hình trụ được gia công chính xác trượt theo chiều dọc trong một lỗ khoan có độ chính xác tương đương. Ống cuộn có các vùng đất nhô cao (phần bịt kín) và các rãnh lõm (kênh dòng chảy). Khi ống cuộn di chuyển, các mặt đất sẽ thẳng hàng hoặc chặn các cổng khác nhau được khoan vào thân van, tạo ra hoặc phá vỡ các kết nối chất lỏng.

Sự phù hợp giữa ống chỉ và lỗ khoan đòi hỏi độ chính xác ở cấp độ micromet. Khoảng hở thông thường dao động từ 5 đến 25 micromet, tùy thuộc vào kích thước van và định mức áp suất. Dung sai chặt chẽ này cho phép ống cuộn di chuyển tự do đồng thời giảm thiểu rò rỉ bên trong. Khe hở nhỏ tạo ra một màng dầu mỏng giúp bôi trơn trong quá trình chuyển động của ống chỉ. Tuy nhiên, khe hở tương tự này làm cho van ống dễ bị rò rỉ bên trong, với một số chất lỏng liên tục đi từ buồng áp suất cao đến buồng áp suất thấp.

Sự phù hợp chính xác này cũng tạo ra lỗ hổng. Các hạt ô nhiễm tiếp cận kích thước khe hở có thể chèn vào giữa ống chỉ và lỗ khoan, gây ra hiện tượng dính ống chỉ. Khi ống chỉ không thể di chuyển tự do, van không phản ứng với các tín hiệu điều khiển, có khả năng khiến bộ truyền động ở những vị trí ngoài ý muốn. Độ nhạy này giải thích tại sao độ tin cậy của van ống chỉ tương quan trực tiếp với mức độ sạch của chất lỏng thủy lực.

Xây dựng van Poppet

Van Poppet sử dụng một phương pháp làm kín khác. Một phần tử hình nón hoặc hình quả bóng ép vào chỗ ngồi phù hợp để chặn dòng chảy. Khi lực điều khiển nhấc con rối ra khỏi chỗ ngồi của nó, chất lỏng sẽ đi qua lối đi đã mở. Tiếp điểm bịt ​​kín được gia cố bằng kim loại với kim loại hoặc được gia cố bằng chất đàn hồi đạt được độ rò rỉ bằng 0 hoặc gần bằng 0, làm cho van hình búp bê trở nên lý tưởng cho các mạch yêu cầu duy trì áp suất lâu dài mà không bị trôi.

Tiếp điểm bịt ​​kín cứng nhắc hạn chế các ứng dụng van hình múa rối so với thiết kế ống chỉ. Van Poppet thường hoạt động như thiết bị hai vị trí (mở hoặc đóng) và không thể dễ dàng cung cấp các chức năng vị trí giữa phức tạp hoặc khả năng điều chế dòng chảy của van ống nhiều mặt. Lực lò xo và áp suất chất lỏng phải được khắc phục để mở con búp bê cũng dẫn đến lực tác động cao hơn và đôi khi phản ứng chậm hơn so với thiết kế ống cuộn cân bằng.

Phân loại theo cấu hình cổng và vị trí

Phương pháp tiêu chuẩn công nghiệp để phân loại van định hướng sử dụng quy ước đặt tên "vị trí M" N-way. Hệ thống này mô tả chính xác khả năng kết nối và chức năng của van.

Số đầu tiên (N) cho biết số lượng cổng hoặc "cách" mà van cung cấp cho các kết nối bên ngoài. Các cổng này phục vụ các chức năng cụ thể. Trong các hệ thống thủy lực, các cổng thông thường được ký hiệu bao gồm P để cung cấp áp suất, A và B để kết nối với buồng truyền động, T để hồi lưu bình chứa và đôi khi X và Y cho tín hiệu điều khiển phi công. Van khí nén cũng tuân theo quy ước tương tự với các cổng được đánh số theo tiêu chuẩn ISO 5599.

Số thứ hai (M) chỉ định số lượng vị trí ổn định mà ống van hoặc phần tử có thể duy trì. Mỗi vị trí tạo ra một cấu hình đường dẫn luồng nội bộ khác nhau bằng cách kết nối một số cổng nhất định trong khi chặn các cổng khác. Một van có thể nối P với A ở một vị trí, sau đó nối P với B ở vị trí khác, dẫn chất lỏng sang các cạnh đối diện của hình trụ.

Cấu hình van chung

**Van 2 chiều 2 vị trí (2/2)** hoạt động như bộ điều khiển bật-tắt đơn giản. Khối một vị trí chảy hoàn toàn; cái còn lại cho phép dòng chảy đi qua. Các van này xuất hiện trong các ứng dụng như mạch khóa máy hoặc điều khiển xi lanh cơ bản trong đó chỉ có chuyển động về phía trước mới cần nguồn điện.

**Van 3 chiều 2 vị trí (3/2)** phù hợp với xi lanh tác động đơn hoặc bộ truyền động có lò xo hồi vị. Van luân phiên kết nối áp suất với bộ truyền động (mở rộng nó) hoặc kết nối bộ truyền động với bình chứa (cho phép rút lại bằng lò xo). Nhiều xi lanh khí nén sử dụng cách sắp xếp này vì khí nén thoát ra khí quyển thay vì quay trở lại bể chứa.

**Van 4 chiều 3 vị trí (4/3)** đại diện cho cấu hình linh hoạt nhất cho hệ thống thủy lực công nghiệp. Các van này điều khiển xi lanh tác động kép hoặc động cơ hai chiều. Ba vị trí thường cung cấp điều kiện mở rộng, rút ​​lại và điều kiện trung tâm. Thiết kế vị trí trung tâm xác định hoạt động quan trọng của hệ thống khi van ở trạng thái trung tính.

Các cấu hình vị trí trung tâm khác nhau phục vụ các mục đích riêng biệt. Một chữ "O" hoặc trung tâm đóng sẽ chặn tất cả bốn cổng, khóa bộ truyền động bằng thủy lực tại chỗ nhưng cũng giữ đầu ra của máy bơm không có đường dẫn dòng chảy. Điều này đòi hỏi một cơ chế dỡ tải bơm riêng biệt. Một chữ "H" hoặc trung tâm mở kết nối tất cả các cổng với nhau, cho phép bộ truyền động nổi tự do trong khi máy bơm tuần hoàn chất lỏng vào bể ở áp suất tối thiểu. Trung tâm "P" hoặc song song chặn các cổng làm việc (A và B) để giữ vị trí bộ truyền động trong khi kết nối máy bơm với bể chứa để dỡ hàng. Các kỹ sư chọn cấu hình trung tâm dựa trên việc họ cần giữ vị trí, di chuyển tự do hay dỡ tải bơm trong điều kiện trung tính.

**Van 5 chiều** thường xuất hiện trong các ứng dụng khí nén, cung cấp nguồn áp suất, hai cổng làm việc và hai cổng xả riêng biệt. Ống xả kép cho phép điều khiển độc lập hệ thống thông hơi ở đầu xi lanh, điều này quan trọng khi áp suất ngược ảnh hưởng đến hoạt động của bộ truyền động hoặc khi ống xả của một buồng xi lanh phải đi theo đường riêng vì lý do tiếng ồn hoặc ô nhiễm.

Phương pháp kích hoạt: Cách van nhận tín hiệu điều khiển

Van định hướng dịch chuyển giữa các vị trí bằng các cơ chế truyền động khác nhau. Sự lựa chọn phụ thuộc vào khoảng cách điều khiển, yêu cầu tự động hóa, nguồn điện sẵn có và nhu cầu tốc độ phản hồi.

Kích hoạt thủ công

Vận hành bằng tay thông qua đòn bẩy, nút bấm hoặc bàn đạp cung cấp khả năng điều khiển cơ học trực tiếp. Những phương pháp này phù hợp với các ứng dụng trong đó người vận hành làm việc gần thiết bị hoặc nơi điều khiển đơn giản, đáng tin cậy mà không phụ thuộc vào điện. Một số van vận hành bằng tay bao gồm các cơ cấu hãm giữ vị trí đã chọn cho đến khi người vận hành thay đổi lại. Một số khác sử dụng lò xo hồi vị, tự động định tâm khi người vận hành nhả nút điều khiển.

Kích hoạt điện từ (điện từ)

Truyền động điện từ thống trị các hệ thống tự động hiện đại. Một cuộn dây điện từ tạo ra lực từ kéo pít tông, sau đó làm dịch chuyển ống van. Solenoid cho phép điều khiển từ xa và tích hợp với bộ điều khiển logic khả trình (PLC) hoặc các hệ thống điều khiển điện tử khác.

Powolna zmiana biegów lub brak zmiany biegów zwykle wynikają z problemów elektrycznych, problemów z obwodem pilotowym w zaworach sterowanych pilotem lub osadzaniem się lakieru. Szybka zmiana przełożeń bez zasilania oznacza wewnętrzny wyciek lub pęknięte sprężyny. Zewnętrzne punkty wycieków prowadzące do awarii uszczelnienia, zwykle spowodowanej niezgodnością płynów, uszkodzeniem przez zanieczyszczenie lub normalnym zużyciem pod koniec okresu eksploatacji.

Thời gian đáp ứng của van điện từ thường dao động từ 15 đến 100 mili giây tùy thuộc vào kích thước van, độ cứng của lò xo và công suất điện từ. Phản ứng nhanh hơn đòi hỏi các cuộn dây điện từ mạnh hơn, làm tăng mức tiêu thụ điện năng và tạo ra nhiều nhiệt hơn. Các ứng dụng như đạp xe nhanh hoặc trình tự thời gian chính xác cần có thông số kỹ thuật điện từ cẩn thận để cân bằng tốc độ với yêu cầu về điện năng và giới hạn nhiệt độ cuộn dây.

Kích hoạt thí điểm

Dẫn động thí điểm sử dụng chính áp suất chất lỏng để dịch chuyển van. Các van thí điểm nhỏ (thường hoạt động bằng điện từ) điều khiển áp suất trực tiếp đến các buồng ở mỗi đầu của ống van chính. Sự chênh lệch áp suất giữa ống chỉ tạo ra lực di chuyển nó đến vị trí được chỉ huy. Sự sắp xếp này mang lại hiệu ứng nhân lực, cho phép một tín hiệu điện nhỏ tới van thí điểm để điều khiển van chính lớn hơn nhiều xử lý lưu lượng và áp suất cao.

Van vận hành bằng thí điểm khắc phục các hạn chế về kích thước và công suất thực tế của hoạt động truyền động điện từ trực tiếp. Van điện từ tác động trực tiếp hiếm khi vượt quá công suất dòng chảy 100 lít mỗi phút vì các ống cuộn lớn hơn đòi hỏi lực điện từ lớn hơn tương ứng để dịch chuyển theo lực lò xo và chất lỏng. Hoạt động thí điểm xử lý tốc độ dòng chảy vượt quá 1000 lít mỗi phút bằng cách sử dụng các van thí điểm điện từ nhỏ gọn chỉ tiêu thụ 10-20 watt điện năng.

Thiết kế hai giai đoạn đánh đổi tốc độ phản hồi để nhân lực. Một van vận hành bằng phi công điển hình phản ứng trong 50-150 mili giây so với 15-50 mili giây đối với các van tác động trực tiếp có kích thước tương tự. Sự chậm trễ xuất phát từ thời gian cần thiết để tăng áp và giảm áp suất trong buồng thí điểm khi ống cuộn di chuyển. Đối với nhiều ứng dụng công nghiệp, sự đánh đổi này được chứng minh là có thể chấp nhận được nhờ sự cải thiện đáng kể về khả năng xử lý dòng chảy.

Hiểu các ký hiệu van ISO 1219

Truyền động điện từ thống trị các hệ thống tự động hiện đại. Một cuộn dây điện từ tạo ra lực từ kéo pít tông, sau đó làm dịch chuyển ống van. Solenoid cho phép điều khiển từ xa và tích hợp với bộ điều khiển logic khả trình (PLC) hoặc các hệ thống điều khiển điện tử khác.

Trong ký hiệu ISO 1219, mỗi vị trí van xuất hiện dưới dạng một hộp vuông. Van ba vị trí hiển thị ba hộp liền kề. Các cổng kết nối với các đường kéo dài từ các hộp ngoài cùng. Bên trong mỗi hộp, các mũi tên biểu thị đường dẫn luồng hoạt động ở vị trí đó, trong khi các cổng bị chặn hiển thị các điểm nối chữ T hoặc đường liền nét. Các phương pháp dẫn động xuất hiện dưới dạng ký hiệu ở cuối cụm hộp - hình tam giác cho cuộn dây điện từ, hình chữ nhật có đường chéo cho đòn bẩy thủ công hoặc ký hiệu lò xo cho cơ cấu hồi lò xo.

Việc đọc ký hiệu van yêu cầu xác định hộp đại diện cho vị trí hiện tại hoặc trung tính, sau đó truy tìm cổng nào kết nối qua hộp đó. Khi van chuyển sang vị trí khác, hộp liền kề sẽ trượt qua (về mặt khái niệm) và các đường dẫn dòng chảy trong hộp đó sẽ hoạt động. Phương pháp trực quan này nhanh chóng truyền đạt logic của van mà không cần hiểu biết chi tiết về hình dạng ống cuộn bên trong hoặc cách bố trí vòng đệm.

Ứng dụng công nghiệp trên các lĩnh vực

Van định hướng cho phép điều khiển chuyển động tự động trong vô số quy trình công nghiệp. Ứng dụng của họ trải dài từ thiết bị xây dựng lớn đến hệ thống sản xuất chính xác.

• Thủy lực di độngphụ thuộc nhiều vào các van định hướng để phối hợp nhiều chức năng. Người vận hành máy xúc điều khiển các chức năng cần, gầu, gầu và xoay thông qua một dãy van định hướng, mỗi van điều chỉnh một xi lanh hoặc động cơ thủy lực khác nhau.
• Les causes profondes de la défaillance des vannes de commande directionnelles comprennent généralement la contamination (responsable de 70 à 80 % des défaillances), l'usure mécanique, les problèmes électriques, la détérioration des joints et une mauvaise installation.sử dụng các van định hướng để thực hiện các hoạt động tuần tự như kẹp, ép và chuyển bộ phận. Một trạm hàn robot có thể sử dụng hàng chục van định hướng để định vị phôi, kích hoạt kẹp và điều khiển bộ truyền động đầu hàn.
• Công nghiệp chế biếnsử dụng van định hướng cho các hoạt động trộn, điều khiển cổng và bộ chuyển hướng cũng như các chức năng tắt khẩn cấp. Van định hướng có thể định tuyến chất lỏng xử lý giữa các bể khác nhau hoặc chuyển hướng dòng chảy trong điều kiện bất thường.
• Ứng dụng hàng hải và ngoài khơiyêu cầu các van định hướng chịu được môi trường ăn mòn và duy trì chức năng trong thời gian dài mà không cần bảo trì. Hệ thống lái tàu và thiết bị dưới biển phụ thuộc vào các van điều khiển hướng mạnh mẽ.

Thông số hiệu suất và tiêu chí lựa chọn

Việc chọn một van định hướng thích hợp đòi hỏi phải kết hợp nhiều thông số kỹ thuật hiệu suất với nhu cầu ứng dụng.

Áp suất vận hành tối đa

Xếp hạng áp suất cho biết áp suất duy trì tối đa mà thân van và vòng đệm có thể xử lý mà không bị hỏng hoặc rò rỉ quá mức. Van định hướng thủy lực thường có áp suất từ ​​210 đến 420 bar (3000-6000 psi) cho các ứng dụng công nghiệp, với thiết kế chuyên dụng đạt 700 bar trở lên cho thiết bị di động hạng nặng. Van khí nén thường hoạt động ở áp suất thấp hơn nhiều, từ 6 đến 10 bar (87-145 psi), phù hợp với hệ thống khí nén tiêu chuẩn.

Định mức áp suất phải vượt quá áp suất tối đa của hệ thống bao gồm bất kỳ sự tăng vọt áp suất nào xảy ra trong quá trình thay đổi tải hoặc khởi động máy bơm. Biên độ an toàn cao hơn 25-30% so với áp suất vận hành bình thường mang lại sự bảo vệ hợp lý chống lại các hiện tượng chuyển tiếp không mong muốn.

Công suất dòng chảy và giảm áp suất

Công suất dòng chảy (Q) chỉ định tốc độ dòng chảy tối đa mà van có thể vượt qua trong khi duy trì mức giảm áp suất và mức tăng nhiệt độ ở mức chấp nhận được. Giảm áp suất (ΔP) biểu thị tổn thất áp suất giữa cổng đầu vào và đầu ra ở lưu lượng định mức. Sự mất mát này chuyển thành nhiệt và lãng phí năng lượng.

Mối quan hệ giữa lưu lượng, sụt áp và tổn thất điện năng theo phương trình:

Khi tổn thất điện năng xuất hiện tính bằng watt khi lưu lượng sử dụng lít trên phút và áp suất giảm sử dụng thanh (với hệ số chuyển đổi đơn vị thích hợp). Van định hướng hiệu suất cao hiện đại đạt được lưu lượng định mức 60-100 lít mỗi phút với áp suất giảm xuống dưới 1 bar. Thiết kế giảm áp suất thấp này giúp giảm yêu cầu sinh nhiệt và công suất bơm, trực tiếp cải thiện hiệu suất năng lượng của hệ thống và giảm nhu cầu hệ thống làm mát.

Ví dụ, một van truyền 80 lít mỗi phút với mức giảm áp suất 2 bar sẽ lãng phí khoảng 266 watt (80 L/phút × 2 bar × 16,67 W/bar/LPM). Việc giảm áp suất giảm xuống 0,5 bar sẽ cắt giảm tổn thất này xuống còn 67 watt, tiết kiệm liên tục 199 watt trong quá trình vận hành. Trải qua hàng nghìn giờ hoạt động, sự khác biệt này dẫn đến chi phí năng lượng đáng kể và giảm sự xuống cấp của dầu do nhiệt.

Thời gian đáp ứng và đặc điểm chuyển mạch

Thời gian đáp ứng đo khoảng thời gian giữa ứng dụng tín hiệu điều khiển và thay đổi vị trí van hoàn chỉnh. Phản ứng nhanh cho phép đảo ngược chuyển động nhanh chóng và tính thời gian chính xác theo trình tự tự động. Tuy nhiên, việc chuyển mạch cực nhanh có thể tạo ra các xung áp suất hủy diệt (búa nước) khi cột chất lỏng tốc độ cao dừng đột ngột.

Van định hướng tiên tiến kết hợp các tính năng chuyển số mềm hoặc chuyển dốc để kiểm soát khả năng tăng tốc của ống chỉ trong khi thay đổi vị trí. Các tính năng này cố tình làm chậm chuyển động của ống cuộn ban đầu để chuyển hướng dần dần dòng chảy, sau đó hoàn thành quá trình chuyển đổi nhanh chóng khi vận tốc chất lỏng giảm. Kết quả là sự kết hợp giữa thời gian đáp ứng hợp lý và giảm tải va đập lên các bộ phận của hệ thống.

Tiêu chuẩn lắp đặt và giao diện

Giao diện lắp cơ khí tuân theo tiêu chuẩn ISO 4401 (trước đây gọi là tiêu chuẩn CETOP hoặc NFPA). Các kích thước phổ biến bao gồm NG6 (còn gọi là D03), NG10 (D05) và NG25 (D08), với số biểu thị kiểu bu lông bề mặt lắp và kích thước cổng. Việc lắp đặt được tiêu chuẩn hóa đảm bảo khả năng thay thế lẫn nhau giữa các nhà sản xuất và đơn giản hóa thiết kế hệ thống bằng cách sử dụng các khối đa dạng mô-đun.

Việc lắp đa tạp tập trung nhiều van vào một khối nhôm hoặc thép được gia công duy nhất có chứa các đường dẫn dòng chảy bên trong. Cách tiếp cận này giúp loại bỏ đường ống bên ngoài giữa các cổng van và bộ truyền động, giảm các điểm rò rỉ tiềm ẩn, cải thiện mật độ đóng gói và cho phép các kênh dòng chảy bên trong được tối ưu hóa với độ nhiễu loạn và tổn thất áp suất tối thiểu.

Điều khiển nâng cao: Van tỷ lệ và van servo

Trong khi các van định hướng bật-tắt cung cấp khả năng kiểm soát đầy đủ cho nhiều ứng dụng, một số hệ thống yêu cầu điều chỉnh dòng chảy và hướng liên tục thay vì chuyển đổi rời rạc.

Công nghệ van tỷ lệ

Van định hướng tỷ lệ sử dụng động cơ điện từ hoặc động cơ mô-men xoắn có lực thay đổi để định vị ống liên tục thay vì chỉ ở vị trí cuối. Sự dịch chuyển của ống chỉ trở nên tỷ lệ thuận với tín hiệu dòng điện đầu vào, cho phép điều khiển dòng chảy vô hạn trong phạm vi của van. Khả năng này cho phép tăng và giảm tốc mượt mà, kiểm soát tốc độ chính xác và xử lý tải nhẹ nhàng mà các van chuyển mạch không thể thực hiện được.

Van tỷ lệ hiệu suất cao kết hợp các cảm biến phản hồi vị trí, điển hình là máy biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT) theo dõi vị trí ống cuộn thực tế. Bộ điều khiển vòng kín so sánh vị trí được lệnh với vị trí thực tế, điều chỉnh dòng điện từ để loại bỏ lỗi vị trí. Cơ chế phản hồi này đạt được vị trí ống cuộn chính xác bất chấp sự thay đổi ma sát, lực áp suất và hiệu ứng nhiệt độ.

Van tỷ lệ hiện đại có độ trễ dưới 1% toàn bộ hành trình. Độ trễ thể hiện sự khác biệt về vị trí khi tiếp cận mục tiêu từ hướng tăng và hướng giảm. Độ trễ thấp đảm bảo phản hồi nhất quán bất kể hướng chuyển động của ống cuộn trước đó, điều này rất quan trọng để điều khiển chuyển động chính xác và ngăn ngừa dao động vị trí.

Một số van tỷ lệ sử dụng nguyên tắc phản hồi áp suất, cảm biến áp suất tải của bộ truyền động và điều chỉnh lưu lượng để bù cho những thay đổi của tải. Việc bù áp suất này duy trì tốc độ truyền động ổn định hơn dưới các tải khác nhau mà không cần bộ bù lưu lượng bên ngoài. Kỹ thuật này cải thiện độ cứng của hệ thống và độ chính xác của điều khiển trong các ứng dụng như máy kiểm tra vật liệu hoặc máy ép tạo hình nơi tải trọng thay đổi trong chu trình làm việc.

Van servo cho các ứng dụng quan trọng

Van servo đại diện cho mức hiệu suất cao nhất trong công nghệ điều khiển hướng. Các thiết bị này đạt được đáp ứng tần số vượt quá 100 Hz với độ phân giải vị trí dưới 0,1% hành trình. Các bề mặt điều khiển chuyến bay hàng không vũ trụ, hệ thống lái tàu hải quân và máy kiểm tra vật liệu phải kiểm soát chính xác lực hoặc vị trí ở tần số cao đều dựa vào khả năng của van trợ lực.

Các thiết kế van servo thường sử dụng cấu trúc hai giai đoạn với cơ cấu vòi phun hoặc ống phản lực giai đoạn đầu điều khiển vị trí ống chỉ ở giai đoạn thứ hai. Giai đoạn đầu tiên cung cấp độ chính xác cao với công suất tối thiểu, trong khi giai đoạn thứ hai cung cấp công suất dòng chảy cần thiết cho bộ truyền động. Tuy nhiên, khe hở hẹp và lỗ nhỏ trong thiết kế giai đoạn đầu khiến van servo cực kỳ nhạy cảm với sự nhiễm bẩn. Yêu cầu về độ sạch của chất lỏng thường chỉ định mã ISO 4406 là 16/14/11 hoặc sạch hơn - nghiêm ngặt hơn nhiều so với mã 18/16/13 được chấp nhận đối với van định hướng tiêu chuẩn.

An toàn trong môi trường nguy hiểm

Van công nghiệp hoạt động trong môi trường dễ cháy nổ cần có chứng nhận đặc biệt để ngăn chặn các nguồn gây cháy. Chứng nhận ATEX (Atmosphères Explosibles) dành cho thị trường Châu Âu và các tiêu chuẩn IECEx tương đương dành cho các ứng dụng quốc tế chỉ rõ các yêu cầu thiết kế đối với các bộ phận điện như cuộn dây điện từ trong môi trường có khả năng gây nổ.

Van định hướng chống cháy nổ sử dụng vỏ chống cháy có chứa tia lửa bên trong hoặc bề mặt nóng, ngăn chặn sự đánh lửa của khí bên ngoài. Vỏ điện từ sử dụng kết cấu chắc chắn với các bề mặt tiếp xúc được gia công đặc biệt giúp ngăn chặn sự lan truyền của ngọn lửa ngay cả khi xảy ra hiện tượng đánh lửa bên trong. Một số thiết kế sử dụng mạch điện an toàn nội tại để hạn chế năng lượng điện ở mức không thể đánh lửa trong điều kiện lỗi.

Các van được chứng nhận an toàn này cho phép công nghệ điều khiển tỷ lệ trong các nhà máy xử lý hóa chất, nhà máy lọc dầu, sản xuất dược phẩm và hoạt động khai thác mỏ, nơi các vật liệu dễ cháy có nguy cơ nổ liên tục. Việc tích hợp khả năng điều khiển tiên tiến với các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt cho thấy công nghệ van hiện đại phục vụ các ứng dụng đòi hỏi khắt khe và nguy hiểm như thế nào.

Các chế độ hư hỏng phổ biến và thực hành bảo trì

Mặc dù được thiết kế cẩn thận, van định hướng vẫn gặp phải các chế độ hao mòn và hỏng hóc ảnh hưởng đến hiệu suất và độ an toàn của hệ thống. Hiểu các cơ chế hư hỏng này sẽ hướng dẫn các chiến lược bảo trì hiệu quả.

Dính ống chỉ và ô nhiễm

Dính ống chỉ là hiện tượng hỏng van định hướng thường gặp nhất trong hệ thống thủy lực. Tình trạng này xảy ra khi ma sát giữa ống chỉ và lỗ khoan vượt quá lực tác động sẵn có, ngăn cản chuyển động của ống chỉ. Nguyên nhân gốc rễ bao gồm các hạt ô nhiễm đọng lại trong các khoảng trống, cặn vecni từ dầu thủy lực bị oxy hóa, ăn mòn do hơi ẩm và tạo thành vết cơ học do sự xâm nhập của các hạt trước đó.

Kiểm soát ô nhiễm cung cấp biện pháp bảo vệ chính chống lại sự dính ống chỉ. Độ sạch của chất lỏng thủy lực phải đáp ứng hoặc vượt quá thông số kỹ thuật của nhà sản xuất van, thường yêu cầu lọc theo mã độ sạch ISO 4406 trong khoảng từ 18/16/13 đối với van tiêu chuẩn và 16/14/11 đối với van tỷ lệ. Các mã này chỉ định số lượng hạt tối đa ở kích thước 4, 6 và 14 micromet trên 100 ml chất lỏng. Mỗi mã số tăng ba bước thể hiện nồng độ hạt tăng gấp đôi.

Nhiệt độ hoạt động ảnh hưởng đến tốc độ tích tụ ô nhiễm. Hệ thống thủy lực chạy trên 80°C đẩy nhanh quá trình oxy hóa dầu, tạo ra vecni và bùn bao phủ các ống van và hạn chế chuyển động. Công suất hệ thống làm mát phải duy trì nhiệt độ dầu trong khoảng 40-65°C để có tuổi thọ và độ tin cậy tối ưu của van. Sự chênh lệch nhiệt độ trong thời gian nhu cầu cao hoặc kích thước bộ làm mát không phù hợp sẽ dần dần làm giảm độ sạch của hệ thống ngay cả khi được lọc thích hợp.

Tiến trình rò rỉ bên trong

Rò rỉ bên trong qua đất ống cuộn tăng dần khi bề mặt bị mòn trong quá trình hoạt động bình thường. Tốc độ rò rỉ chấp nhận được đối với van ống mới nằm trong khoảng từ 5-20 ml mỗi phút tùy thuộc vào kích thước và thiết kế van. Khi tình trạng hao mòn tiến triển, lượng rò rỉ có thể đạt tới 50-100 ml mỗi phút trước khi cần phải thay van.

Rò rỉ bên trong quá mức biểu hiện như chuyển động của bộ truyền động chậm hơn, không có khả năng duy trì áp suất trong thời gian duy trì và tăng nhiệt độ dầu do lưu thông dòng chảy bên trong. Kiểm tra rò rỉ bao gồm đo lưu lượng từ các cổng bị chặn hoặc so sánh tốc độ của bộ truyền động dưới tải với các phép đo cơ bản. Giám sát liên tục phát hiện xu hướng hao mòn trước khi xảy ra lỗi nghiêm trọng.

Sự cố điện từ và điện

Cuộn dây điện từ bị hỏng do quá tải điện, quá tải nhiệt, xâm nhập hơi ẩm hoặc hư hỏng cơ học. Các cuộn dây điện từ làm việc liên tục được định mức cho chu kỳ làm việc 100% có thể hoạt động vô thời hạn ở điện áp định mức và nhiệt độ môi trường tối đa. Các cuộn dây điện từ hoạt động không liên tục cần có thời gian nghỉ để làm mát và sẽ không hoạt động do quá nhiệt nếu đạp quá nhanh hoặc được cấp điện liên tục.

Sự thay đổi điện áp ngoài phạm vi chỉ định (+/- 10% điển hình) làm tăng tốc độ hỏng cuộn dây. Điện áp thấp làm giảm lực từ, có khả năng gây ra hiện tượng dịch chuyển ống cuộn không hoàn toàn hoặc phản ứng chậm. Điện áp quá mức làm tăng dòng điện và sinh nhiệt, làm giảm khả năng cách điện của cuộn dây cho đến khi xảy ra đoản mạch. Lỗi chỉnh lưu trong các van cấp nguồn AC gây ra hoạt động bất thường của cuộn dây khi AC không được chỉnh lưu chạm tới điện từ DC, tạo ra lực từ dao động và nhiệt độ quá cao.

Quy trình chẩn đoán đối với các lỗi điện từ bị nghi ngờ bao gồm đo điện trở (so sánh với giá trị trên bảng tên), xác minh điện áp tại kết nối điện từ trong khi cố gắng vận hành và kiểm tra ghi đè thủ công để cách ly các sự cố về điện khỏi cơ khí. Nhiều van tỷ lệ công nghiệp và van vận hành thí điểm bao gồm các cơ chế ghi đè thủ công cho phép dịch chuyển ống cuộn cơ học ngay cả khi hệ thống điện bị hỏng, cung cấp chức năng khẩn cấp quan trọng.

Hướng dẫn bảo trì phòng ngừa

Việc bảo trì van định hướng hiệu quả tập trung vào việc bảo vệ giao diện lỗ ống dẫn chính xác và các bộ phận điện khỏi bị xuống cấp.

Quản lý chất lượng chất lỏng tạo thành nền tảng. Thiết lập độ sạch cơ bản của chất lỏng thông qua phân tích dầu mới trong phòng thí nghiệm và xác minh định kỳ mức độ sạch trong quá trình vận hành. Mục tiêu mã ISO 4406 phù hợp với các loại van được lắp đặt. Thay thế các phần tử bộ lọc theo các khoảng thời gian được khuyến nghị bất kể chỉ báo chênh lệch áp suất, vì bộ lọc loại sâu có thể đạt công suất lọc các hạt mịn trong khi chênh lệch áp suất vẫn ở mức thấp.

Giám sát nhiệt độ giúp phát hiện các tình trạng bất thường trước khi hư hỏng xảy ra. Nhiệt độ quá cao cho thấy khả năng làm mát không đủ, hạn chế dòng chảy tạo ra sụt áp hoặc rò rỉ bên trong tạo ra nhiệt. Lắp đặt cảm biến nhiệt độ tại các vị trí quan trọng bao gồm khối ống góp van, đặc biệt trên các van tỷ lệ tạo ra nhiều nhiệt hơn do rò rỉ bên trong và tiêu tán năng lượng điện.

Xây dựng các quy trình kiểm tra và thử nghiệm có hệ thống. Ghi lại dữ liệu hiệu suất cơ bản bao gồm thời gian chu kỳ của bộ truyền động, áp suất tối đa đạt được và dòng điện từ rút ra trong quá trình vận hành. So sánh định kỳ với đường cơ sở cho thấy xu hướng suy thoái dần dần. Các phép đo thời gian đáp ứng sử dụng bộ chuyển đổi áp suất và hệ thống thu thập dữ liệu sẽ phát hiện ma sát hoặc ô nhiễm ngày càng tăng trước khi hỏng hóc hoàn toàn.

Các nhà thiết kế hệ thống nên chỉ định các van có khả năng ghi đè thủ công cho các chức năng quan trọng. Ghi đè thủ công cung cấp hoạt động khẩn cấp khi có sự cố về điện và cho phép cách ly chẩn đoán giữa các nguồn lỗi cơ và điện. Cơ chế ghi đè cũng cho phép xác minh hoạt động của bộ truyền động và tải độc lập với hệ thống điện van trong quá trình xử lý sự cố.

Sự phát triển của công nghệ điều khiển hướng

Công nghệ van định hướng tiếp tục phát triển theo một số con đường song song, mỗi con đường giải quyết các nhu cầu cụ thể của ngành.

Tích hợp đại diện cho một xu hướng lớn. Các van hiện đại ngày càng kết hợp các thiết bị điện tử trên bo mạch bao gồm bus CAN hoặc giao tiếp Ethernet công nghiệp, chẩn đoán tích hợp theo dõi dòng điện và nhiệt độ cuộn dây cũng như các quy trình tự hiệu chuẩn bù đắp cho các hiệu ứng hao mòn và nhiệt độ. Các van thông minh này chuyển từ các bộ phận thụ động sang các bộ phận tham gia hệ thống chủ động để báo cáo tình trạng sức khỏe và dự đoán nhu cầu bảo trì.

Hiệu quả năng lượng thúc đẩy sự cải tiến liên tục trong thiết kế đường dẫn dòng chảy và vật liệu. Mô phỏng dòng chảy có sự hỗ trợ của máy tính tối ưu hóa các đường dẫn bên trong để giảm thiểu nhiễu loạn và tổn thất áp suất. Một số nhà sản xuất hiện chỉ định mức giảm áp suất dưới 0,5 bar ở lưu lượng định mức cho các van định hướng tiêu chuẩn, bằng một nửa giá trị điển hình từ những thập kỷ trước. Giảm áp suất thấp hơn giúp giảm sinh nhiệt và tiêu thụ điện năng bơm, hỗ trợ các mục tiêu bền vững của công ty và giảm chi phí vận hành.

Việc thu nhỏ đẩy khả năng điều khiển vào các gói nhỏ hơn. Thiết kế hộp van gắn vào các ống góp tùy chỉnh đạt được công suất dòng chảy cao từ các phong bì nhỏ gọn đáng kể. Những cấu hình này phục vụ thiết bị di động nơi không gian và trọng lượng hạn chế nghiêm trọng việc thiết kế hệ thống.

Tương lai có thể sẽ mang lại sự tích hợp sâu hơn giữa van truyền lực chất lỏng và hệ thống điều khiển kỹ thuật số. Điện khí hóa trong thiết bị di động tạo cơ hội cho việc điều khiển bộ truyền động hoàn toàn bằng điện thay thế hệ thống thủy lực thí điểm truyền thống. Giám sát tình trạng thông qua các cảm biến tích hợp van cho phép các chiến lược bảo trì dự đoán lên lịch bảo dưỡng dựa trên tình trạng thực tế của bộ phận thay vì theo khoảng thời gian cố định. Những phát triển này sẽ mở rộng khả năng của van định hướng đồng thời cải thiện độ tin cậy và tính bền vững trong các ứng dụng năng lượng chất lỏng.