Sự khác biệt giữa Van thủy lực 2 chiều và 3 chiều là gì?

Việc chọn van thủy lực phù hợp có thể tạo ra hoặc phá vỡ hệ thống truyền lực chất lỏng của bạn. Nếu bạn đã từng đứng trước một danh mục van và tự hỏi mình cần van 2 chiều hay 3 chiều thì bạn không đơn độc. Hai loại van này phục vụ các mục đích cơ bản khác nhau trong mạch thủy lực và hiểu được sự khác biệt của chúng sẽ giúp bạn tiết kiệm thời gian, tiền bạc và các lỗi hệ thống có thể xảy ra.

Câu trả lời cơ bản rất đơn giản: van 2 chiều có hai cổng và kiểm soát chất lỏng chảy hay dừng (chức năng bật/tắt), trong khi van 3 chiều có ba cổng và điều khiển nơi chất lỏng chảy (chức năng định hướng). Nhưng sự khác biệt đơn giản này ẩn giấu những chi tiết kỹ thuật quan trọng quyết định loại van nào thuộc về ứng dụng của bạn.

Tìm hiểu về van điều khiển hướng trong hệ thống thủy lực

Van điều khiển hướng có chức năng như bộ điều khiển logic của hệ thống thủy lực. Họ xác định khi nào dầu thủy lực bắt đầu chuyển động, khi nào nó dừng lại và nó đi theo đường nào trong mạch điện. Các kỹ sư thường gọi những bộ phận này là van chuyển mạch vì chúng thay đổi trạng thái của đường dẫn chất lỏng.

Ngành thủy lực sử dụng hệ thống đặt tên tiêu chuẩn hóa dựa trên tiêu chuẩn ISO. Bạn sẽ thấy các van được gắn nhãn định dạng X/Y, trong đó X đại diện cho số lượng cổng làm việc và Y đại diện cho số lượng vị trí. Ví dụ, van 4/3 có bốn cổng làm việc và ba vị trí. Hệ thống ký hiệu này không bao gồm các cổng điều khiển như kết nối tín hiệu thí điểm, chỉ tính các cổng xử lý dòng chất lỏng chính.

Số vị trí (Y) xác định số lượng mẫu kết nối dòng chảy ổn định mà van có thể cung cấp. Van 2/2 đơn giản cung cấp khả năng điều khiển bật/tắt cơ bản. Van 3/2 giới thiệu khả năng phân phối chất lỏng. Van 4/3 được sử dụng rộng rãi quản lý các xi lanh tác động kép với vị trí trung tâm chuyên dụng. Khi bạn chuyển từ 2/2 sang 3/2 đến 4/3, bạn sẽ thêm các lớp điều khiển phức tạp phù hợp với yêu cầu hệ thống ngày càng phức tạp.

Van thủy lực 2 chiều: Kiểm soát dòng chảy cách ly và tuyến tính

Van 2 chiều hoạt động như một cổng chất lỏng đơn giản. Hãy tưởng tượng một cánh cửa mở hoặc đóng để cho phép hoặc chặn dòng chảy qua một lối đi duy nhất. Van này có một kết nối đầu vào và một kết nối đầu ra, tạo ra đường dẫn dòng chảy thẳng khi mở và tắc nghẽn hoàn toàn khi đóng.

Hầu hết các van 2 chiều đều sử dụng cơ cấu truyền động điện từ để điều khiển cơ điện. Phần tử chuyển động (thường là con rối hoặc ống cuộn) chuyển đổi giữa hai vị trí: mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn. Không có điểm trung gian trong hoạt động van 2 chiều cơ bản.

Trạng thái mặc định của van 2 chiều có ý nghĩa quan trọng đối với sự an toàn của hệ thống. Van thường đóng (NC) sẽ chặn dòng chảy khi mất điện, cần có nguồn điện để mở. Cấu hình này thống trị các ứng dụng cách ly quan trọng về an toàn. Nếu mất điện, van NC sẽ tự động đóng lại, ngăn chặn dòng chất lỏng không được kiểm soát hoặc chuyển động của bộ truyền động không mong muốn. Đặc tính an toàn này làm cho van NC trở thành lựa chọn mặc định cho các điểm cách ly.

Các van mở thông thường (NO) hoạt động ngược lại, cho phép dòng chảy khi mất điện và cần có nguồn để đóng. Các kỹ sư chọn van NO ít thường xuyên hơn, điển hình là trong các ứng dụng mà việc duy trì dòng chảy khi mất điện là điều kiện an toàn hơn.

Các ứng dụng chính của van 2 chiều bao gồm các chức năng cách ly, đổ, đo sáng và trộn. Một trường hợp đặc biệt là van một chiều, về cơ bản là van 2/2 được điều khiển thụ động bởi áp suất đường ống. Van một chiều cho phép dòng chảy tự do theo một hướng đồng thời chặn dòng chảy ngược, bảo vệ máy bơm và duy trì áp suất trong các nhánh mạch cụ thể.

Khi chọn van 2 chiều, các kỹ sư tập trung vào tốc độ dòng chảy tối đa (được đo bằng gallon trên phút hoặc lít trên phút) và áp suất làm việc tối đa (được đo bằng PSI hoặc bar). Bởi vì các van này thường xử lý sự cách ly ở tốc độ dòng chảy cao nên việc giảm thiểu sự sụt giảm áp suất qua van mở là rất quan trọng. Yêu cầu này thúc đẩy nhiều thiết kế 2 chiều hướng tới cấu trúc hình múa rối, mang lại diện tích dòng chảy bên trong lớn nhất với hạn chế tối thiểu.

Tuy nhiên, van 2 chiều có một hạn chế cố hữu: chúng không thể quản lý chất lỏng quay trở lại bể nếu không có sự trợ giúp từ bên ngoài. Nếu sử dụng van 2 chiều để điều khiển xi lanh tác dụng đơn thì phải lắp thêm van xả hoặc van xả riêng để xả khí thải. Hạn chế này làm cho van 3 chiều trở thành một giải pháp tích hợp hơn cho việc điều khiển bộ truyền động.

Van thủy lực 3 chiều: Điều khiển hướng và quản lý bộ truyền động

Việc thêm cổng thứ ba sẽ biến một van từ một cổng đơn giản thành bộ điều khiển giao thông. Van 3 chiều có ba cổng chuyên dụng: áp suất (P), công việc (A) và bể chứa (T). Quy ước đặt tên ISO xác định các van này là 3/2 (ba cổng, hai vị trí), nghĩa là van cung cấp hai kiểu kết nối dòng chảy riêng biệt.

Ưu điểm cơ bản của van 3 chiều nằm ở việc quản lý điểm đến của chất lỏng. Các van này thực hiện ba chức năng quan trọng: chuyển hướng (định tuyến một đầu vào đến một trong hai đích), chọn (chọn giữa hai đầu vào có điều áp để cung cấp cho một hệ thống hạ lưu) và trộn (kết hợp hai đầu vào chất lỏng thành một luồng đầu ra kết hợp).

Ứng dụng phổ biến nhất của van điều khiển hướng 3/2 là quản lý xi lanh thủy lực tác động đơn. Những xi lanh này dựa vào áp suất thủy lực để giãn nở theo một hướng và sử dụng lò xo bên trong hoặc tải trọng bên ngoài để rút lại. Van 3 chiều phối hợp cả hai hành động thông qua hai vị trí của nó.

Ở vị trí mở rộng, ống van dịch chuyển để nối P với A đồng thời cô lập T. Áp suất tích tụ trong buồng xi lanh, thắng lực lò xo hoặc lực tải để di chuyển piston ra ngoài. Khi van trở về vị trí đặt lại (thường quay trở lại bằng lò xo), nó kết nối A với T trong khi cách ly P. Áp suất buồng xi lanh xả qua cổng T tới bể, cho phép lò xo hoặc thế năng tải đẩy pít-tông trở lại trong khi chuyển chất lỏng vào bể.

Điều khiển cung cấp và xả tích hợp này là thứ phân biệt van 3 chiều với hai van 2 chiều riêng biệt nối tiếp. Việc kích hoạt đáng tin cậy đường dẫn A-to-T ở vị trí đặt lại của van là yêu cầu chức năng mang tính quyết định. Nếu không có đường xả này, cơ cấu rút không thể hoạt động bất kể lực lò xo. Van 3 chiều đảm bảo bộ truyền động có thể trở lại vị trí ban đầu một cách an toàn và nhanh chóng trong mọi điều kiện.

Trong khi các van điều khiển hướng áp suất cao thường sử dụng cấu trúc ống chỉ, chức năng 3 chiều cũng có thể đạt được thông qua thiết kế quay cổng L hoặc cổng T. Những cấu trúc này đặc biệt phù hợp để quản lý hành vi trộn và chuyển hướng trong đường dẫn chất lỏng.

Từ góc độ hệ thống, van 3 chiều kết hợp các chức năng của hai van cách ly 2/2 riêng biệt thành một bộ phận, quản lý cả nguồn cung cấp và hồi lưu chất lỏng thông qua một tín hiệu điều khiển duy nhất. Sự tích hợp cấu trúc này giúp cải thiện hiệu quả chi phí và đơn giản hóa hệ thống ống nước so với việc sử dụng nhiều van 2 chiều để chuyển hướng hoặc điều khiển tác động đơn.

So sánh trực tiếp: Sự khác biệt chính giữa Van 2 chiều và 3 chiều

Sự khác biệt giữa các loại van này vượt ra ngoài số lượng cổng đến những khác biệt cơ bản về cấu trúc liên kết điều khiển và khả năng quản lý chất lỏng.

Cổng bể chuyên dụng (T) trên van 3 chiều rất cần thiết cho việc giải nén chất lỏng cần thiết. Nếu không có đường quay trở lại này, xi lanh lò xo hồi vị không thể hoạt động. Trong khi đó, van 2 chiều vượt trội ở vai trò đơn giản hơn: tạo hoặc loại bỏ đường dẫn dòng chảy với tổn thất áp suất tối thiểu và tính toàn vẹn bịt kín tối đa.

Đối với các ứng dụng yêu cầu chuyển hướng chất lỏng như mạch rẽ hoặc điều khiển bộ truyền động, một van 3 chiều thường mang lại hiệu quả kinh tế và không gian vượt trội so với việc sử dụng hai hoặc nhiều van cách ly 2 chiều. Một số van 3 chiều đa năng thậm chí có thể hoạt động tạm thời như van 2 chiều bằng cách cắm vào cổng thứ ba không sử dụng, giúp đơn giản hóa việc kiểm kê phụ tùng thay thế và hậu cần bảo trì.

Tiêu chuẩn ISO 1219-1 cung cấp các ký hiệu phổ quát cho hệ thống truyền động chất lỏng. Các biểu tượng đồ họa ngay lập tức truyền đạt sự khác biệt về chức năng. Biểu tượng 2/2 hiển thị đường thẳng (mở) hoặc đường bị chặn (đóng). Biểu tượng 3/2 phải hiển thị hai sơ đồ đường dẫn dòng chảy bên trong hoàn chỉnh trong hai hộp vị trí của nó, xác nhận khả năng chuyển hướng của nó với các đường dẫn như P→A và A→T hiển thị.

Cho dù là 2/2 hay 3/2, các ký hiệu bộ truyền động (lò xo hồi vị, điều khiển điện từ, vận hành cần gạt) gắn vào các cạnh của hộp vị trí để biểu thị phương pháp kích hoạt. Đối với van 3 chiều, việc chỉ định cụ thể các cổng P, A và T là bắt buộc trong kỹ thuật năng lượng chất lỏng. Việc đảo ngược các kết nối P và T có thể làm hỏng máy bơm hoặc làm tăng áp suất bể, làm nổi bật tính đặc hiệu hướng quan trọng trong thiết kế 3 chiều. Ngược lại, do van 2 chiều thực hiện cách ly nên cổng P₁ và P₂ của chúng thường phổ biến và việc đảo ngược dòng chảy thường được cho phép hoặc không liên quan đến chức năng ngắt.

Cấu trúc bên trong van: Thiết kế Poppet so với ống chỉ

Cấu trúc vật lý của van (con búp bê hoặc ống chỉ) xác định các đặc tính hoạt động của nó bao gồm rò rỉ, tốc độ và khả năng giữ áp suất. Các cấu trúc khác nhau phù hợp hơn với chức năng 2 chiều hoặc 3 chiều.

Van Poppet dựa vào bộ phận bịt kín (đĩa hoặc hình nón) ép chặt vào đế van để tạo thành một rào chắn gần như hoàn hảo. Cấu trúc này mang lại tính toàn vẹn bịt kín tuyệt vời, làm cho van poppet trở nên lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu giữ áp suất hoặc cách ly tuyệt đối. Tỷ lệ rò rỉ bên trong van poppet là cực kỳ thấp. Hành trình ngắn và tắc nghẽn chất lỏng tối thiểu giúp van poppet có thời gian phản hồi nhanh và khả năng xử lý tốc độ dòng chảy cao.

Các thiết kế Poppet thường cung cấp sự giao nhau khép kín, nghĩa là trong quá trình chuyển đổi không có sự tương tác nhất thời hoặc mở đồng thời giữa các đường dẫn chất lỏng. Đặc tính này rất quan trọng đối với các ứng dụng yêu cầu điều khiển chính xác. Tuy nhiên, van poppet thường không cân bằng. Áp suất đầu vào hỗ trợ vòng đệm, nhưng nếu áp suất cung cấp bị loại bỏ, áp suất xuôi dòng có thể khiến van mở. Điều này làm cho van poppet không phù hợp cho các ứng dụng cần duy trì áp suất hạ lưu lâu dài. Ngoài ra, vì chúng phải vượt qua sức căng của lò xo và áp suất chất lỏng nên van poppet thường yêu cầu lực tác động cao hơn để bắt đầu chuyển động.

Van ống chỉ bao gồm một trục có nhiều vùng bịt kín (piston) di chuyển theo trục trong thân van. Việc bịt kín phụ thuộc vào dung sai sản xuất chính xác và các vòng đệm động như vòng chữ O. Cấu trúc ống cuộn vốn được thiết kế để quản lý nhiều kết nối đồng thời, khiến nó trở thành yêu cầu về cấu trúc để triển khai các chức năng hệ thống 3 chiều (P, A, T) và phức tạp hơn 4/3 hoặc 5/2.

Van ống chỉ cung cấp thời gian đáp ứng nhất quán và phù hợp hơn van hình múa rối để duy trì áp suất hạ lưu. Tuy nhiên, do nhu cầu quản lý đồng thời các kết nối và cách ly giữa nhiều cổng, van ống cuộn vốn có sự rò rỉ bên trong tại mặt đất ống cuộn (một lượng nhỏ chất lỏng đi qua giữa pít tông ống cuộn và lỗ thân). So với khả năng bịt kín tích cực của van poppet, van ống thường có tỷ lệ rò rỉ bên trong cao hơn.

Tốc độ rò rỉ bên trong của van ống cao hơn có nghĩa là máy bơm phải hoạt động liên tục để duy trì áp suất, lãng phí năng lượng và tạo ra nhiệt dư thừa trong bể. Đối với các ứng dụng đơn giản yêu cầu cách ly lâu dài (chức năng 2 chiều), khả năng đóng van poppet vượt trội không bị rò rỉ là một lợi thế đáng kể về hiệu quả năng lượng. Van Poppet yêu cầu lực tác động cao hơn để khắc phục chênh lệch áp suất hỗ trợ bịt kín, trong khi thiết kế ống chỉ được sử dụng trong hệ thống 3 chiều và 4/3 thường kết hợp các tính năng cân bằng áp suất để giảm thiểu lực chuyển mạch cần thiết, đảm bảo hiệu suất ổn định bất kể biến động áp suất hệ thống.

Độ rò rỉ thấp rất quan trọng đối với vai trò cách ly của van 2 chiều. Van Poppet phù hợp hơn cho các chức năng ngắt đột ngột, quan trọng. Hệ thống 3 chiều yêu cầu trạng thái chuyển tiếp ngắn để quản lý việc truyền chất lỏng giữa các cổng, thiết kế ống cuộn phù hợp một cách tự nhiên. Lực tác động cao có tác dụng cách ly 2 chiều chuyên dụng nhưng không phù hợp với điều khiển hướng phức tạp. Thiết kế ống chỉ cho phép căn chỉnh ba cổng độc lập (P, A, T) ở hai trạng thái trong một phần tử duy nhất.

Chọn van phù hợp: Hướng dẫn ứng dụng

Việc chọn van tối ưu đòi hỏi phải đánh giá các yếu tố ngoài số lượng cổng và vị trí. Các kỹ sư phải đánh giá tốc độ dòng chảy tối đa, áp suất làm việc tối đa, yêu cầu về đường dẫn chất lỏng và phương pháp truyền động.

Hãy chú ý đến các giới hạn áp suất, thường khác nhau giữa các cổng. Ví dụ: xếp hạng áp suất cổng hồi lưu (T) thường thấp hơn nhiều so với cổng làm việc (A/B) hoặc cổng áp suất (P). Theo thông số kỹ thuật của một nhà sản xuất, áp suất vận hành tối đa của cổng P là 3.625 PSI trong khi áp suất tối đa của cổng T chỉ là 725 PSI. Việc bỏ qua những khác biệt này có thể gây ra lỗi hệ thống hoặc tạo ra các tình trạng nguy hiểm.

Việc tích hợp hệ thống phù hợp dựa trên các kết nối cổng được tiêu chuẩn hóa như cổng vòng chữ O SAE để đảm bảo các vòng đệm chắc chắn, không bị rò rỉ và ngăn ngừa tắc nghẽn. Sử dụng danh pháp cổng tiêu chuẩn một cách nhất quán: P để cung cấp áp suất, T để hồi lưu bình chứa và A/B cho các cổng làm việc kết nối với bộ truyền động.

Chọn van 2 chiều (tốt nhất là loại có cấu trúc hình búp bê) cho các điểm cách ly quan trọng, chức năng ngắt an toàn hoặc khi rò rỉ bên trong cực thấp và thời gian phản hồi nhanh là những yêu cầu không thể thương lượng. Van 2 chiều là bộ phận điều khiển dòng chảy tuyến tính cơ bản có ưu điểm là tính đơn giản, độ tin cậy và khả năng bịt kín chắc chắn.

Chọn van 3 chiều (tốt nhất là cấu trúc ống cuộn) để điều khiển bộ truyền động thủy lực tác động đơn, chuyển hướng đường dẫn chất lỏng hoặc hệ thống yêu cầu lựa chọn/pha trộn các dòng đầu vào. Chức năng điều khiển P-A-T tích hợp là yêu cầu cốt lõi để quản lý bộ truyền động, cung cấp giải pháp nhỏ gọn, tiết kiệm và đầy đủ chức năng.

Vai trò của van 2/2 và 3/2 trong hệ thống thủy lực là khác biệt và không thể thay thế cho nhau. Sự khác biệt giữa chúng không chỉ đơn thuần là một cổng bổ sung mà còn ở logic hệ thống và độ phức tạp trong quản lý chất lỏng mà chúng xử lý. Hiểu được những khác biệt cơ bản này sẽ đảm bảo bạn chỉ định loại van phù hợp cho ứng dụng của mình, tránh việc thiết kế lại tốn kém và các vấn đề về hiệu suất hệ thống.