วาล์วควบคุมทิศทางประกอบด้วยตัววาล์วที่มีทางเดินภายในและส่วนที่เคลื่อนที่ได้เรียกว่าสปูล สปูลสามารถเชื่อมต่อหรือปิดกั้นทางเดินภายในได้ สำหรับวาล์วไฮดรอลิกอุตสาหกรรมมาตรฐานส่วนใหญ่ สปูลจะมีรูปทรงกระบอก — วาล์วประเภทนี้เรียกว่าวาล์วควบคุมทิศทางแบบสปูล หรือเรียกสั้นๆ ว่าวาล์วสปูล วาล์วสปูลเป็นวาล์วควบคุมทิศทางประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในระบบไฮดรอลิกอุตสาหกรรม บทนี้จะอธิบายถึงประเภท โครงสร้าง หลักการทำงาน และวิธีการควบคุมของวาล์วประเภทนี้

วาล์วควบคุมทิศทางสี่ทาง

วาล์วควบคุมทิศทางแบบแรกที่ควรพิจารณาคือแบบที่มีทางเดินภายในสี่ทาง ได้แก่ ทางเดินแรงดัน ทางเดินส่งกลับ (ถัง) และทางเดินใช้งานสองทาง นี่คือวาล์วควบคุมทิศทางสี่ทาง ซึ่งตั้งชื่อตามทางเดินที่แตกต่างกันสี่ทางในตัววาล์ว วาล์วควบคุมทิศทางสี่ทางนี้ใช้ควบคุมกระบอกไฮดรอลิกหรือมอเตอร์ไฮดรอลิกให้เปลี่ยนทิศทางการทำงาน

การทำงานของวาล์วสี่ทางในวงจร

วาล์วควบคุมทิศทางทั้งหมดประกอบด้วยตัววาล์วและแกนหมุนภายใน แกนหมุนมีอย่างน้อยสองตำแหน่ง คือตำแหน่งปลายทั้งสอง ตำแหน่งทั้งสองนี้แสดงในสัญลักษณ์กราฟิกของวาล์วควบคุมทิศทางด้วยกล่องสองกล่องแยกกัน ในแต่ละกล่อง จะใช้ลูกศรเพื่อแสดงวิธีการเชื่อมต่อทางเดินภายในของตัววาล์วเมื่อแกนหมุนอยู่ที่ตำแหน่งนั้น เมื่อแสดงวาล์วควบคุมทิศทางด้วยสัญลักษณ์กราฟิก กล่องทั้งสองต้องเชื่อมต่อกัน เมื่อวางในวงจร จะต้องเชื่อมต่อกล่องเพียงกล่องเดียวในวงจร การทำเช่นนี้จะทำให้เมื่อตัวกระตุ้นเคลื่อนที่ไปในทิศทางหนึ่ง เส้นทางการไหลภายในในวาล์วควบคุมทิศทางแสดงให้เห็นอย่างชัดเจน เมื่อต้องการแสดงการเคลื่อนที่ของตัวกระตุ้นในทิศทางตรงกันข้าม กล่องอีกกล่องในสัญลักษณ์ก็เพียงแค่เลื่อนกล่องอีกกล่องเข้าไปในวงจรอย่างราบรื่น

วาล์วควบคุมทิศทางที่มีตำแหน่งลูกสูบเพียงสองตำแหน่ง เรียกว่า วาล์วสองตำแหน่ง

รูปที่ 10-1 วาล์วควบคุมทิศทางสี่ทาง สัญลักษณ์รูปกล่องสองกล่องแสดงถึงตำแหน่งของแกนหมุนสองตำแหน่ง โดยจะมีเพียงกล่องเดียวที่เชื่อมต่อเข้ากับวงจรในแต่ละครั้ง การเลื่อนแกนหมุนจะสลับว่ากล่องใดทำงานอยู่ ทำให้กระบอกสูบหมุนกลับทิศทาง

การทำงานของวงจรวาล์วสี่ทาง

เมื่อแกนหมุนอยู่ที่ตำแหน่งปลายด้านหนึ่ง ท่อส่งแรงดันจะเชื่อมต่อกับท่อทำงาน A และท่อส่งกลับจะเชื่อมต่อกับท่อทำงาน B เมื่อแกนหมุนเปลี่ยนไปที่ตำแหน่งปลายอีกด้านหนึ่ง ท่อส่งแรงดันจะเชื่อมต่อกับท่อทำงาน B และท่อส่งกลับจะเชื่อมต่อกับท่อทำงาน A การเปลี่ยนตำแหน่งปลายของแกนหมุนจะเปลี่ยนทิศทางการไหลของน้ำมันเข้าสู่กระบอกไฮดรอลิก ทำให้ก้านสูบยืดหรือหด

วาล์วควบคุมทิศทางสามทาง

วาล์วควบคุมทิศทางสามทางมีทางเดินภายในสามทาง ได้แก่ ทางเดินแรงดัน ทางเดินกลับ และทางเดินใช้งาน หน้าที่ของมันคือ เมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งปลายด้านหนึ่ง มันจะเพิ่มแรงดันให้กับทางเดินใช้งาน และเมื่อลูกสูบอยู่ที่ตำแหน่งปลายอีกด้านหนึ่ง มันจะลดแรงดันให้กับทางเดินใช้งาน กล่าวอีกนัยหนึ่ง วาล์วสามทางจะสลับการเพิ่มและลดแรงดันของทางเดินใช้งานเดียว

การทำงานของวงจรวาล์วสามทาง

วาล์วสามทางสามารถควบคุมแอคทูเอเตอร์แบบทางเดียว เช่น กระบอกสูบลูกสูบแบบมีสปริงดึงกลับ ในการใช้งานดังกล่าว วาล์วสามทางในตำแหน่งหนึ่งจะจ่ายน้ำมันแรงดันเข้าไปในปลายด้านอิสระของก้านกระบอกสูบ เมื่อเปลี่ยนไปอีกตำแหน่งหนึ่ง การไหลเข้าสู่แอคทูเอเตอร์จะถูกปิดกั้น และทางเดินของแอคทูเอเตอร์จะเชื่อมต่อกับทางเดินกลับภายในตัววาล์ว ทำให้ก้านกระบอกสูบสามารถหดกลับได้ด้วยแรงโน้มถ่วงหรือแรงสปริง

เมื่อวาล์วสามทางอยู่ในตำแหน่งที่เชื่อมต่อทางเดินของวัสดุทำงานกับทางเดินของวัสดุกลับ กระบอกสูบลูกสูบที่ติดตั้งในแนวตั้งจะสามารถหดกลับได้ด้วยแรงโน้มถ่วง ในขณะที่ก้านกระบอกสูบแบบสปริงจะหดกลับด้วยแรงจากสปริง

ในการใช้งานระบบไฮดรอลิกในอุตสาหกรรม วาล์วสามทางพบได้ไม่บ่อยนัก หากต้องการใช้งานแบบสามทาง มักจะใช้วาล์วสี่ทางที่มีช่องใช้งานช่องใดช่องหนึ่งถูกปิดกั้นแทน

รูปที่ 10-3 วาล์วควบคุมทิศทางสามทางควบคุมกระบอกสูบแบบทำงานทางเดียว (แบบสปริงดึงกลับ) ตำแหน่งหนึ่งจะเพิ่มแรงดัน อีกตำแหน่งหนึ่งจะเชื่อมต่อกระบอกสูบกับถังและปล่อยให้สปริงดึงก้านกลับ

วาล์วควบคุมทิศทางสองทาง

วาล์วควบคุมทิศทางสองทางมีทางเดินเพียงสองทาง ซึ่งสามารถเชื่อมต่อหรือตัดการเชื่อมต่อได้ด้วยแกนหมุน เมื่อแกนหมุนอยู่ที่ตำแหน่งปลายด้านหนึ่ง ทางเดินของไหลผ่านวาล์วจะเปิด เมื่ออยู่ที่ตำแหน่งปลายอีกด้านหนึ่ง ทางเดินจะปิด

การทำงานของวงจรวาล์วสองทาง

วาล์วควบคุมทิศทางสองทางทำหน้าที่เสมือนสวิตช์เปิด/ปิดในวงจร ฟังก์ชันนี้ใช้ในระบบต่างๆ มากมาย เช่น ระบบล็อคเพื่อความปลอดภัย หรือเพื่อแยกและเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ ภายในระบบ

พิกัดและข้อมูลจำเพาะของวาล์วควบคุมทิศทาง

วาล์วควบคุมทิศทางที่ใช้ในระบบไฮดรอลิกอุตสาหกรรมมีหลายขนาดพื้นฐาน ได้แก่ 1/4", 3/8", 1/2", 3/4" และ 1-1/4" (6.35 มม., 9.5 มม., 12.7 มม., 19.05 มม. และ 31.75 มม.) ในการใช้งานทางอุตสาหกรรม โดยทั่วไปจะกำหนดอัตราการไหลตามความจุเฉลี่ยมากกว่าขนาดพอร์ต ตัวอย่างเช่น ความจุที่กำหนดคือ 3–10 gpm (11.37–37.9 lpm), 10–20 gpm (37.9–45.48 lpm), 40 gpm (75.8 lpm), 80 gpm (303.2 lpm) และ 160 gpm (379 lpm) ที่อัตราการไหลที่กำหนด ความดันลดลงจาก P ไป A หรือจาก B ไป T จะอยู่ที่ประมาณ 40 psi (2.76 บาร์)

สปูลวาล์วควบคุมทิศทาง

แกนวาล์วควบคุมทิศทางสี่ทางที่เราได้เห็นนั้น เป็นแกนที่มีส่วนทรงกระบอกขนาดใหญ่สามส่วนเรียกว่า "แลนด์" ระยะห่างที่เท่ากันระหว่างแลนด์ทั้งสามส่วนนี้ทำให้แกนวาล์วนี้เป็นแบบสามแลนด์ วาล์วควบคุมทิศทางไฮดรอลิกในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่จะเป็นแบบสองแลนด์หรือสี่แลนด์ วาล์วที่มีอัตราการไหลต่ำมักใช้แกนวาล์วแบบสองแลนด์ ส่วนแกนวาล์วแบบสี่แลนด์นั้นพบได้บ่อยในวาล์วที่มีอัตราการไหลสูงกว่า

รูปที่ 10-5 แกนวาล์วควบคุมทิศทาง แกนวาล์วแบบสองสันพบได้ทั่วไปในวาล์วขนาดเล็ก ส่วนแกนวาล์วแบบสี่สันพบได้ในวาล์วขนาดใหญ่ จำนวนและตำแหน่งของสันวาล์วจะเป็นตัวกำหนดว่าทางเดินใดเชื่อมต่อหรือถูกปิดกั้นในแต่ละตำแหน่งของแกนวาล์ว

วาล์วสี่ทางแบบติดตั้งบนฐานรอง

วาล์วควบคุมทิศทางสี่ทางที่อธิบายไว้ข้างต้นมีพอร์ตสี่พอร์ต โดยปกติแล้ว พอร์ตแรงดันและพอร์ตส่งกลับจะอยู่ด้านหนึ่งของตัววาล์ว ในขณะที่พอร์ตใช้งานสองพอร์ตจะอยู่ด้านตรงข้าม การจัดเรียงพอร์ตนี้ใกล้เคียงกับสัญลักษณ์กราฟิกของวาล์วควบคุมทิศทางมาก เพื่อความสะดวกในการติดตั้ง วาล์วควบคุมทิศทางไฮดรอลิกอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้การออกแบบแบบติดตั้งบนแผ่นรอง: ตัววาล์วจะถูกยึดด้วยสลักเกลียวเข้ากับแผ่นรองที่เชื่อมต่อกับท่อของระบบ พอร์ตของวาล์วที่ติดตั้งบนแผ่นรองจะอยู่ด้านล่างของตัววาล์ว

ผู้ควบคุมวาล์วควบคุมทิศทาง

เราได้เห็นแล้วว่าแกนวาล์วควบคุมทิศทางสามารถติดตั้งได้ที่ปลายด้านใดด้านหนึ่ง การเคลื่อนย้ายแกนวาล์วสามารถทำได้โดยวิธีการทางกล ไฟฟ้า ไฮดรอลิก นิวแมติก หรือด้วยมือ

การทํางานด้วยมือ

วาล์วควบคุมทิศทางที่เคลื่อนที่ด้วยแรงกล้ามเนื้อเรียกว่าวาล์วควบคุมด้วยมือ มีอุปกรณ์ควบคุมด้วยมือหลายประเภท เช่น คันโยก ปุ่มกด และแป้นเหยียบ กลไกการทำงานเชิงกลที่พบได้บ่อยที่สุดคือ ลูกเบี้ยวที่มีลูกกลิ้งอยู่ด้านบน เมื่อลูกเบี้ยวบนตัวกระตุ้นเคลื่อนลงและชนกับลูกกลิ้ง แกนวาล์วจะเลื่อนไปยังตำแหน่งอื่น ในการทำงานด้วยมือ ลำดับการทำงานและการควบคุมของวาล์วควบคุมทิศทางต้องถูกกำหนดโดยความตั้งใจของผู้ใช้งาน หากวาล์วควบคุมทิศทางต้องเลื่อนที่ตำแหน่งตัวกระตุ้นเฉพาะเจาะจง สามารถใช้วาล์วควบคุมทิศทางที่ทำงานด้วยกลไกได้

การควบคุมแบบพิล็อต

นอกจากนี้ ยังสามารถปรับตำแหน่งแกนวาล์วควบคุมทิศทางได้โดยใช้แรงดันนำร่องแบบนิวแมติกหรือไฮดรอลิก สำหรับแกนวาล์วแบบสี่ขา แรงดันนำร่องจะกระทำต่อขาแกนวาล์วที่ตำแหน่งปลายทั้งสองข้าง สำหรับแกนวาล์วแบบสองขา แรงดันนำร่องจะกระทำต่อลูกสูบนำร่องเพียงตัวเดียว

การควบคุมโซลินอยด์ (แม่เหล็กไฟฟ้า)

วิธีที่พบได้บ่อยที่สุดในการควบคุมวาล์วทิศทางคือการใช้โซลินอยด์ (แม่เหล็กไฟฟ้า) โซลินอยด์เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเชิงกลที่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแรงและการเคลื่อนที่เชิงกลเชิงเส้น ตัวกระตุ้นที่สอดคล้องกันในระบบไฮดรอลิกคือกระบอกไฮดรอลิก

โซลินอยด์แบบแห้ง

ในบรรดาโซลินอยด์ทั้งสองประเภท โซลินอยด์แบบแห้งเป็นแบบที่ออกแบบมาก่อนหน้านี้ มันทำงานบนหลักการทางแม่เหล็กไฟฟ้าพื้นฐาน และประกอบด้วยแกนเหล็กรูปตัว "T" ขดลวด และโครงรูปตัว "C" เนื่องจากรูปร่างของแกนเหล็กและโครงที่ล้อมรอบขดลวด บางครั้งจึงเรียกโซลินอยด์ประเภทนี้ว่าแม่เหล็กไฟฟ้าแบบ "CT" เหล็กเป็นตัวนำแม่เหล็กที่ดี ในขณะที่อากาศนำแม่เหล็กได้ไม่ดี หลักการทำงานของโซลินอยด์แบบแห้งคือ สนามแม่เหล็กดึงแกนเหล็กเข้าไปในขดลวด ลดความต้านทานแม่เหล็กขนาดใหญ่ที่เกิดจากช่องว่างอากาศตรงกลางขดลวด เมื่อแกนเหล็กเคลื่อนที่เข้าไป ช่องว่างอากาศจะค่อยๆ ลดลง แรงผลักทางแม่เหล็กไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อแกนเหล็กอยู่ภายในขดลวดจะมากกว่าเมื่ออยู่ภายนอก

โซลินอยด์แบบเปียก

โซลินอยด์แบบเปียกเป็นดีไซน์ที่ค่อนข้างใหม่ในด้านไฮดรอลิกอุตสาหกรรม เมื่อเทียบกับดีไซน์แบบช่องว่างอากาศ โซลินอยด์แบบเปียกมีข้อดีคือการระบายความร้อนที่ดีกว่าและการกำจัดซีลแกนดันที่อาจทำให้เกิดการรั่วไหลในโซลินอยด์แบบแห้ง ซึ่งช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ

โครงสร้างโซลินอยด์แบบเปียก

โซลินอยด์แบบเปียกประกอบด้วยขดลวด โครงสี่เหลี่ยม ก้านดัน แกนเหล็ก (อาร์มาเจอร์) และท่อนำ ขดลวดถูกห่อหุ้มด้วยโครงสี่เหลี่ยม โดยทั้งสองส่วนถูกปิดผนึกด้วยพลาสติก ชุดประกอบนี้มีรูทะลุผ่านตรงกลางขดลวดและด้านข้างทั้งสองของโครง ซึ่งรูนี้จะพอดีกับท่อนำ ท่อนำมีแกนเหล็กอยู่ภายใน ท่อนำถูกกดอัดเข้ากับตัววาล์วควบคุมทิศทาง ช่องว่างภายในของท่อนำเชื่อมต่อกับทางเดินกลับของวาล์วควบคุมทิศทาง ดังนั้นแกนเหล็กจึงจุ่มอยู่ในน้ำมันของระบบ นี่คือเหตุผลที่เรียกว่า "แกนเหล็กเปียก"

วิธีการทำงานของโซลินอยด์แบบเปียก

เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวด ขดลวดจะสร้างสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะแข็งแกร่งขึ้นด้วยเส้นทางแม่เหล็กเหล็กรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่อยู่รอบขดลวดและแกนหมุนที่อยู่ตรงกลางขดลวด เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดแกนหมุนที่เปียก แกนหมุนที่เคลื่อนที่ได้จะอยู่นอกขดลวดบางส่วน สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าจะดึงแกนหมุนเข้าไปด้านใน กระทบกับก้านดันที่เชื่อมต่อกับแกนวาล์ว ทำให้วาล์วเปลี่ยนทิศทาง เมื่อแกนวาล์วเคลื่อนที่ แกนหมุนจะเข้าไปในขดลวดอย่างสมบูรณ์ ทำให้สนามแม่เหล็กของขดลวดกระจุกตัวอยู่ในเส้นทางแม่เหล็กเหล็กอย่างสมบูรณ์

เหล็กเป็นตัวนำแม่เหล็กที่ดี ในขณะที่น้ำมันที่ล้อมรอบแกนหมุนและก้านดันมีค่าการนำแม่เหล็กต่ำมาก หลักการทำงานของโซลินอยด์แบบเปียกคือ สนามแม่เหล็กจะดึงแกนหมุนเข้าไปเพื่อลดช่องว่างอากาศขนาดใหญ่ที่อยู่ตรงกลางขดลวด เมื่อแกนหมุนเคลื่อนที่เข้าไป ช่องว่างจะค่อยๆ ลดลง แรงผลักจากสนามแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้น และเมื่อแกนหมุนเข้าไปอยู่ภายในขดลวดอย่างสมบูรณ์ แรงผลักจากสนามแม่เหล็กจะมากกว่าเมื่ออยู่ภายนอก

รูปที่ 10-9 โซลินอยด์แบบเปียก แกนหมุนจุ่มอยู่ในน้ำมันไฮดรอลิก (จึงเรียกว่า "แบบเปียก") ทำให้ไม่ต้องใช้ซีลกันรั่วแบบก้านดัน ระบายความร้อนได้ดีกว่าและมีความน่าเชื่อถือมากกว่าแบบแห้ง

เสียงหึ่งๆ จากเครื่องปรับอากาศ

ในสหรัฐอเมริกา กระแสไฟฟ้าควบคุมทางอุตสาหกรรมโดยทั่วไปจะเป็นกระแสสลับ (AC) กระแสไฟฟ้า AC ของสหรัฐฯ จะวนรอบจากศูนย์ไปยังค่าสูงสุดบวก กลับมาที่ศูนย์ไปยังค่าสูงสุดลบ และกลับมาที่ศูนย์อีกครั้งที่ 60 รอบต่อวินาที (60 เฮิรตซ์) เมื่อกระแสไฟฟ้าอยู่ที่ค่าสูงสุดบวกหรือลบ สนามแม่เหล็กและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีค่าสูงสุด เมื่อกระแสไฟฟ้าลดลงผ่านศูนย์ สนามแม่เหล็กและแรงก็จะลดลงเช่นกัน ทำให้ขดลวดโซลินอยด์ที่มีสปริงดัน (โดยปกติจะเป็นแกนวาล์วที่มีสปริงดัน) ดันแกนเหล็กหรืออาร์มาเจอร์ออก เมื่อสนามแม่เหล็กและแรงเพิ่มขึ้นอีกครั้ง ก็จะดึงแกนเหล็กหรืออาร์มาเจอร์กลับเข้าไป การเคลื่อนไหวนี้ทำให้เกิดเสียงหึ่งๆ เสียงฮัม หรือเสียงสั่นสะเทือนของโซลินอยด์ ซึ่งก็คือเสียงฮัมของกระแสสลับ (AC hum)

วงแหวนลัดวงจร (ขดลวดบังเงา)

เพื่อลดเสียงฮัมจากกระแสสลับและเพิ่มแรงผลักของโซลินอยด์ จึงมีการใช้ขดลวดลัดวงจร (ขดลวดบังเงา) เพื่อชดเชย ในโซลินอยด์แบบแห้ง ขดลวดลัดวงจรจะเป็นวงแหวนทองแดงที่ติดอยู่กับโครงรูปตัว C ส่วนในโซลินอยด์แบบเปียก จะเป็นวงแหวนทองแดงที่ปลายก้านผลักของท่อไกด์ เมื่อโซลินอยด์ทำงาน วงแหวนจะเหนี่ยวนำกระแสที่ล้าหลังกระแสทำงานที่ป้อนเข้ามา ด้วยวิธีนี้ เมื่อสนามแม่เหล็กหลักของขดลวดอยู่ที่ค่าต่ำสุด สนามแม่เหล็กของขดลวดลัดวงจรจะเพียงพอที่จะยึดแกนเหล็กหรืออาร์มาเจอร์ไว้ ทำให้ลดเสียงฮัมจากกระแสสลับได้อย่างมาก

กระแสน้ำวนเหนี่ยวนำ

สนามแม่เหล็กกระแสสลับแบบเป็นจังหวะสามารถสร้างกระแสไฟฟ้ารั่วขนาดเล็กในโซลินอยด์ได้ ซึ่งเรียกว่ากระแสไหลวน (eddy current) กระแสเหล่านี้จะไหลในวงจรเล็กๆ ในเส้นทางแม่เหล็กของเหล็ก ทำให้สิ้นเปลืองพลังงานและสร้างความร้อน ลดแรงผลักของโซลินอยด์ เพื่อลดผลกระทบของกระแสไหลวน จึงใช้แผ่นโลหะบางๆ ในการทำโครงรูปตัว C และแกนเหล็กของโซลินอยด์แบบแห้ง แผ่นโลหะเหล่านี้ถูกหุ้มฉนวนจากกันด้วยชั้นออกไซด์ สนามแม่เหล็กสามารถผ่านไปตามเส้นทางแม่เหล็กปกติของแผ่นโลหะได้ง่าย แต่เนื่องจากมีชั้นฉนวน กระแสไหลวนจึงไม่สามารถไหลผ่านระหว่างแผ่นโลหะได้ เนื่องจากโครงรูปตัว C ทำโดยการซ้อนแผ่นโลหะที่หุ้มฉนวนเข้าด้วยกัน จึงมักเรียกว่า "โครงรูปตัว C แบบซ้อน" สำหรับโซลินอยด์แบบเปียก การลดกระแสไหลวนใช้แผ่นเหล็กหุ้มฉนวนสำหรับโครงรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า แต่สำหรับแกนหมุนนั้นไม่สามารถทำได้ เนื่องจากโซลินอยด์แบบเปียกมีกำลังมากกว่าแบบแห้ง จากมุมมองด้านความทนทาน การทำแกนหมุนจากแผ่นโลหะบางๆ นั้นไม่สามารถทำได้ ในโซลินอยด์แบบเปียก แกนหมุนจะเป็นชิ้นส่วนแข็ง

กระแสไฟกระชากของโซลินอยด์

กระแสไฟฟ้าสลับในขดลวดโซลินอยด์สร้างแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ทำให้แกนวาล์วเปลี่ยนทิศทางเคลื่อนที่ แต่ก็สร้างความร้อนด้วยเช่นกัน ซึ่งในที่สุดจะทำให้ขดลวดโซลินอยด์ไหม้ ยิ่งกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดโซลินอยด์มากเท่าไร โอกาสที่ขดลวดโซลินอยด์จะเสียหายก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หากโซลินอยด์ไม่เคลื่อนที่เพื่อปิดช่องว่างอากาศ ขดลวดจะรับกระแสไฟฟ้าสูงมาก ทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไป ต่างจากระบบไฮดรอลิกที่การไหลค่อนข้างคงที่ ในระบบไฟฟ้าทั่วไป กระแสไฟฟ้าจะสัมพันธ์กับความต้านทาน — ความต้านทานสูงหมายถึงกระแสไฟฟ้าต่ำ ความร้อนน้อยลง เนื่องจากความร้อนส่งผลกระทบอย่างมากต่ออายุการใช้งานของโซลินอยด์ เป้าหมายคือการใช้กระแสไฟฟ้าน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในขณะที่สร้างแรงเคลื่อนที่ได้เพียงพอ ซึ่งทำได้โดยการออกแบบขดลวดที่มีอิมพีแดนซ์กระแสสลับ (ความต้านทานเชิงปฏิกิริยา) ที่เพียงพอ

อิมพีแดนซ์ประกอบด้วยสองส่วน คือ ความต้านทานบริสุทธิ์ของวัสดุตัวนำต่อการไหลของอิเล็กตรอน — ทองแดงมีความต้านทานน้อยกว่าอะลูมิเนียม — และผลกระทบของอิมพีแดนซ์ที่เกิดจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารอบขดลวด สนามแม่เหล็กนี้ขัดขวางหรือจำกัดกระแสที่ไหลเข้าสู่ขดลวด ยิ่งสนามแม่เหล็กแรงมากเท่าใด กระแสในขดลวดโซลินอยด์ก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น

เมื่อโซลินอยด์ได้รับพลังงานครั้งแรก แกนเหล็กหรืออาร์มาเจอร์ที่เคลื่อนที่ได้จะอยู่ด้านนอกขดลวดบางส่วน ทำให้เกิดช่องว่างอากาศขนาดใหญ่ที่ศูนย์กลางขดลวด สนามแม่เหล็กไม่แรงมากนักในตำแหน่งนี้ ความต้านทานต่อกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่มาจากความต้านทานของตัวนำบริสุทธิ์ ทำให้เกิดกระแสไฟกระชากสูงในขดลวด เมื่อแกนเหล็กหรืออาร์มาเจอร์เคลื่อนที่เข้าไปด้านใน ช่องว่างอากาศจะค่อยๆ ปิดลง กระแสไฟฟ้าจะลดลง เมื่อแกนเหล็กหรืออาร์มาเจอร์เข้าที่อย่างสมบูรณ์ ความต้านทานจะมีค่าสูงสุดและกระแสไฟฟ้าสลับจะมีค่าต่ำสุด

กระแสไฟกระชากสูงสุดเมื่อโซลินอยด์เริ่มทำงานครั้งแรกนั้นสูงกว่ากระแสไฟขณะยึดเมื่อติดตั้งสนิทหลายเท่า หากมีสิ่งกีดขวางทางกลไกทำให้แกนเหล็กหรืออาร์มาเจอร์ไม่เข้าที่อย่างสมบูรณ์ กระแสไฟจำนวนมากจะไหลเข้าสู่ขดลวด ทำให้เกิดความร้อนมหาศาล สำหรับโซลินอยด์แบบแห้งที่ไม่หุ้ม กระแสไฟนี้จะทำให้ส่วนประกอบพลาสติกที่ปลายขดลวดละลาย สำหรับโซลินอยด์แบบแห้งหรือแบบเปียกที่หุ้ม กระแสไฟนี้จะทำให้ซีลพลาสติกบวมขึ้น ในทั้งสองประเภท ฉนวนของสายไฟจะไหม้ทันที และภายในหนึ่งหรือสองนาที ขดลวดจะลัดวงจร ซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อม้วนสายไฟติดขัดทำให้โซลินอยด์ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้

รูปที่ 10-10 กระแสไฟกระชากของโซลินอยด์ AC เทียบกับกระแสไฟขณะคงสภาพ เมื่อเริ่มจ่ายไฟครั้งแรก ช่องว่างอากาศขนาดใหญ่จะทำให้กระแสไฟกระชากสูง (มากกว่ากระแสไฟขณะคงสภาพหลายเท่า) เมื่อปิดสนิทแล้ว ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นและกระแสไฟจะลดลง หากแกนหมุนติดขัด (ช่องว่างไม่ปิด) จะทำให้เกิดกระแสไฟกระชากอย่างต่อเนื่อง ซึ่งรับประกันได้ว่าขดลวดจะไหม้

โซลินอยด์ที่รับกระแสไฟฟ้าต่อเนื่อง

โซลินอยด์แบบใช้งานต่อเนื่องสามารถจ่ายพลังงานได้เป็นเวลานานโดยไม่เกิดความร้อนสูงเกินไป ความสามารถในการระบายความร้อนของโซลินอยด์นั้นเพียงพอที่จะระบายความร้อนส่วนใหญ่ที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวดซึ่งมีขนาดเล็กกว่า วาล์วควบคุมทิศทางไฮดรอลิกในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้โซลินอยด์แบบใช้งานต่อเนื่อง

ข้อจำกัดของโซลินอยด์

วาล์วควบคุมทิศทางด้วยโซลินอยด์มีข้อจำกัดบางประการ ประการแรก โซลินอยด์แบบทั่วไปไม่สามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่เปียกชื้นหรืออาจเกิดการระเบิดได้ ประการที่สอง เมื่อต้องการอายุการใช้งานของวาล์วควบคุมทิศทางที่ยาวนานเป็นพิเศษ มักจะหลีกเลี่ยงการใช้โซลินอยด์ที่ควบคุมด้วยไฟฟ้า ข้อเสียที่สำคัญที่สุดของโซลินอยด์อาจอยู่ที่แรงในการเปลี่ยนทิศทางที่สามารถสร้างได้นั้นมีจำกัด ในความเป็นจริง สำหรับวาล์วควบคุมทิศทางขนาดใหญ่ แรงในการเปลี่ยนทิศทางที่ต้องการนั้นค่อนข้างมาก สำหรับวาล์วขนาดใหญ่ (1/4" หรือ 3/8" / 6.35 มม. หรือ 9.5 มม.) โดยทั่วไปแล้ว วาล์วควบคุมทิศทางแบบโซลินอยด์จะติดตั้งไว้ด้านบน และในระหว่างการเปลี่ยนทิศทาง การไหลจากวาล์วขนาดเล็กจะถูกส่งไปยังด้านที่สอดคล้องกันของแกนวาล์วขนาดใหญ่ วาล์วประเภทนี้เรียกว่า วาล์วควบคุมทิศทางแบบนำร่องที่ทำงานด้วยโซลินอยด์

ขดลวดโซลินอยด์เสีย

ความร้อนเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้โซลินอยด์ของวาล์วควบคุมทิศทางแบบทำงานโดยตรงเสีย โดยปกติมักเกิดจากการติดขัดของโซลินอยด์ อุณหภูมิแวดล้อมสูง หรือแรงดันไฟฟ้าต่ำ (แรงเลื่อนไม่เพียงพอที่จะทำให้แกนเหล็กหรืออาร์มาเจอร์เข้าที่อย่างสมบูรณ์)

การติดขัดของโซลินอยด์

แกนหมุนที่ติดขัดจะขัดขวางไม่ให้แกนเหล็กหรืออาร์มาเจอร์เข้าที่อย่างสมบูรณ์ ทำให้ขดลวดโซลินอยด์ดึงกระแสไฟกระชากสูงมากอย่างต่อเนื่อง โซลินอยด์ไม่สามารถระบายความร้อนมหาศาลที่เกิดขึ้นได้ ทำให้ขดลวดไหม้ในที่สุด แม้ว่าการไหลผ่านวาล์วมากเกินไปอาจทำให้โซลินอยด์ติดขัดได้ แต่การรบกวนทางกลไกต่อการเคลื่อนที่ของแกนหมุนเป็นสาเหตุของการติดขัดที่พบได้บ่อยกว่า สารปนเปื้อน (เช่น ตะกอน เศษโลหะ ทรายแกน และเทป PTFE) อาจทำให้แกนหมุนติดขัด หรือแกนหมุนอาจติดขัดจากเสี้ยนระหว่างแกนหมุนและตัววาล์ว อนุภาคออกซิเดชันของน้ำมันและคราบน้ำมันอาจสะสมบนแกนหมุน ทำให้ช่องว่างระหว่างแกนหมุนและตัววาล์วหายไป การทำความสะอาดด้วยตัวทำละลายสามารถขจัดคราบน้ำมันได้ แผ่นยึดที่บิดเบี้ยวก็อาจทำให้โซลินอยด์ติดขัดได้เช่นกัน เมื่อขันน็อตยึดให้แน่น ตัววาล์วอาจงอเล็กน้อย ทำให้การเคลื่อนที่ของแกนหมุนถูกจำกัดและทำให้ขดลวดไหม้ได้ โดยทั่วไปแล้ว ข้อกำหนดเรื่องความเรียบของแผ่นยึดจะอยู่ในช่วง 0.0003–0.0005 นิ้ว (0.00762–0.0127 มิลลิเมตร)

สำหรับโซลินอยด์แบบแห้ง เมื่อแกนเหล็กของโซลินอยด์ถูกดึงเข้าไปในขดลวด จะเกิดการสึกหรอระหว่างแกนเหล็กและโครงรูปตัว C เมื่อถอดโซลินอยด์ชนิดนี้ แนะนำให้ติดตั้งแกนเหล็กกลับเข้าไปในตำแหน่งเดิม มิเช่นนั้นส่วนที่สึกหรอจะไม่สามารถจัดแนวได้อย่างถูกต้อง แกนเหล็กจะไม่สามารถเข้าที่ได้อย่างสมบูรณ์ และโซลินอยด์จะส่งเสียงดังคล้ายเสียงหึ่งๆ ซึ่งบ่งชี้ว่าใกล้จะเสียแล้ว

บางครั้งโซลินอยด์ทั้งสองตัวในวาล์วควบคุมทิศทางแบบสองโซลินอยด์อาจได้รับพลังงานพร้อมกัน ซึ่งหมายความว่าแกนเหล็กหรืออาร์มาเจอร์ตัวหนึ่งปิดสนิทในขณะที่อีกตัวหนึ่งติดขัด ผลที่ตามมาคือขดลวดโซลินอยด์ตัวใดตัวหนึ่งไหม้ การที่โซลินอยด์ทั้งสองตัวได้รับพลังงานพร้อมกันมักเกิดจากความล้มเหลวของอุปกรณ์ควบคุมไฟฟ้าหรือข้อผิดพลาดในการเดินสายไฟ

อุณหภูมิแวดล้อมสูง

เมื่อกระแสไฟฟ้าดึงแกนเหล็กหรือขดลวดเหนี่ยวนำของโซลินอยด์เข้าไป ความร้อนที่เกิดขึ้นจะต้องถูกระบายออกจากขดลวด หากอุณหภูมิอากาศโดยรอบสูงเกินไป การระบายความร้อนจะทำได้ยาก และขดลวดอาจไหม้ได้ เหตุการณ์นี้อาจเกิดขึ้นได้หากการระบายอากาศไม่ดี หรืออุปกรณ์ทำงานใกล้แหล่งความร้อน

แรงดันต่ำ

สำหรับโซลินอยด์ขนาด 110 V, 60 Hz เมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลงเหลือประมาณ 100 V แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะไม่เพียงพอที่จะทำให้แกนเหล็กหรืออาร์มาเจอร์เข้าที่อย่างสมบูรณ์ภายในระยะเวลาที่ออกแบบไว้ เนื่องจากกระแสไฟกระชากที่ยาวนานขึ้น โซลินอยด์จึงทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งในที่สุดจะทำให้เกิดความเสียหาย บางครั้งสัญญาณเริ่มต้นของการไหม้ของขดลวดคือเสียงหึ่งๆ หรือเสียงสั่นสะเทือน ปัญหาแรงดันไฟฟ้าต่ำมักเกิดขึ้นในโรงไฟฟ้าหลายแห่ง หากสงสัยว่าแรงดันไฟฟ้าต่ำ บริษัทไฟฟ้าสามารถติดตั้งมิเตอร์บันทึก 24 ชั่วโมงเพื่อตรวจสอบสภาพจริงได้

วาล์วควบคุมทิศทางสามตำแหน่ง

ในตัวอย่างก่อนหน้านี้ ได้มีการกล่าวถึงวาล์วควบคุมทิศทางแบบสองตำแหน่ง (ที่มีตำแหน่งปลายสองตำแหน่ง) ไปแล้ว ในบางแอปพลิเคชันจะใช้วาล์วควบคุมทิศทางแบบสามตำแหน่ง โดยตำแหน่งที่สามตรงกลางเป็นตำแหน่งกลางหรือตำแหน่งเปลี่ยนผ่าน สัญลักษณ์กราฟิกของวาล์วควบคุมทิศทางแบบสามตำแหน่งจะมีสามช่อง โดยช่องตรงกลางแสดงถึงตำแหน่งศูนย์กลางและการเชื่อมต่อภายในเมื่อแกนหมุนอยู่ที่ตำแหน่งศูนย์กลาง

วาล์วสามตำแหน่งแบบสปริงอยู่ตรงกลาง

วาล์วควบคุมทิศทางสามตำแหน่งชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดคือชนิดที่มีสปริงอยู่ตรงกลาง วาล์วชนิดนี้มีสปริงอยู่ที่ปลายทั้งสองข้างเพื่อยึดแกนวาล์วให้อยู่ในตำแหน่งตรงกลางเมื่อโซลินอยด์ทั้งสองตัวไม่ได้รับพลังงาน

รูปที่ 10-12 วาล์วควบคุมทิศทางแบบสปริงยึดตำแหน่ง 3 ตำแหน่ง สปริงจะยึดแกนวาล์วไว้ที่ตำแหน่งกึ่งกลางเมื่อโซลินอยด์ทั้งสองตัวไม่มีกระแสไฟฟ้า ตำแหน่งกึ่งกลางนี้จะเป็นตัวกำหนดว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับภาระของกระบอกสูบเมื่อเครื่องหยุดทำงาน

สภาวะศูนย์กลาง

มีรูปแบบการจัดวางตำแหน่งศูนย์กลางทั่วไปสี่แบบ การเลือกสภาวะศูนย์กลางจะเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมของวงจรเมื่อวาล์วควบคุมทิศทางอยู่ที่ตำแหน่งศูนย์กลาง (โซลินอยด์ทั้งสองตัวไม่ได้รับพลังงาน):

รูปที่ 10-13 การกำหนดค่าตำแหน่งศูนย์กลางสี่แบบ การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของวงจร: ว่ากระบอกสูบควรคงตำแหน่งไว้ ลอยตัวอย่างอิสระ หรือว่าปั๊มควรหยุดทำงานเมื่อวาล์วอยู่ตรงกลาง

วาล์วควบคุมทิศทางแบบแปรผัน

วาล์วควบคุมทิศทางแบบมาตรฐานจะสลับระหว่างตำแหน่งที่กำหนด (เปิด/ปิด) ส่วนวาล์วควบคุมทิศทางแบบแปรผันนั้น สามารถปรับตำแหน่งของแกนวาล์วได้ทุกที่ระหว่างเปิดเต็มที่และปิดสนิท โดยมีความสัมพันธ์ที่ราบรื่นระหว่างสัญญาณไฟฟ้าขาเข้ากับตำแหน่งของแกนวาล์วและอัตราการไหล これにより ทำให้สามารถควบคุมทั้งทิศทางและอัตราการไหลได้อย่างต่อเนื่องด้วยวาล์วเพียงตัวเดียว

วาล์วควบคุมทิศทางแบบใช้แรงดันนำร่อง

สำหรับงานที่ต้องการอัตราการไหลสูง ซึ่งแรงดันจากโซลินอยด์ไม่เพียงพอที่จะเลื่อนแกนหลักโดยตรง จะใช้การออกแบบแบบควบคุมด้วยแรงดันนำร่อง วาล์วนำร่องขนาดเล็กที่ควบคุมด้วยโซลินอยด์จะส่งแรงดันนำร่องไปเลื่อนแกนหลักที่มีขนาดใหญ่กว่า การออกแบบสองขั้นตอนนี้ช่วยให้โซลินอยด์ขนาดเล็กสามารถควบคุมอัตราการไหลขนาดใหญ่มากได้ โดยวาล์วนำร่องทำหน้าที่สลับทิศทาง และแรงดันนำร่องทำหน้าที่ในการเคลื่อนแกนหลัก

รูปที่ 10-14 วาล์วควบคุมทิศทางแบบใช้แรงดันนำร่อง วาล์วนำร่องขนาดเล็กที่ใช้โซลินอยด์ (ด้านบน) จะส่งแรงดันนำร่องไปควบคุมแกนหลักขนาดใหญ่ (ด้านล่าง) การออกแบบนี้ช่วยให้โซลินอยด์ขนาดเล็กสามารถควบคุมวาล์วหลักที่มีอัตราการไหลสูงได้

วาล์วควบคุมทิศทางโซลินอยด์แบบแปรผัน

ในอุปกรณ์ควบคุม สัญญาณกลับทิศทางและสัญญาณอินพุตจะเข้ามาพร้อมกัน สัญญาณ "ข้อผิดพลาด" ที่เกิดขึ้นระหว่างสองสัญญาณนี้จะขับเคลื่อนอุปกรณ์ควบคุมเพื่อจ่ายพลังงานให้กับโซลินอยด์ "A" หรือ "B" ตัวใดตัวหนึ่งตามสัดส่วน เมื่อโซลินอยด์ได้รับพลังงาน มันจะแปลงสัญญาณเป็นแรง โซลินอยด์ตามสัดส่วนที่อยู่ตรงกลางตัววาล์ว พร้อมกับสปริงไบแอสของวาล์วนำร่อง จะแปลงแรงดันควบคุมนั้นให้เป็นตำแหน่งของสปูลนำร่อง เซ็นเซอร์ตำแหน่ง LVDT เชื่อมต่อโดยตรงกับสปูลวาล์วหลัก หน้าที่ของมันคือการให้ข้อมูลป้อนกลับอัตโนมัติแก่สปูลนำร่อง

วาล์วควบคุมทิศทางแบบความดันแตกต่าง (ควบคุมด้วยมอเตอร์แรงบิด)

วาล์วควบคุมทิศทางแบบอาศัยความแตกต่างของแรงดันเป็นแบบสามขั้นตอน โดยมีวาล์วนำร่องเป็นขั้นตอนแรก และวาล์วหลักเป็นขั้นตอนที่สอง วาล์วนำร่องมีความซับซ้อนกว่า ประกอบด้วยมอเตอร์แรงบิด สปริง ท่อเจ็ท และแกนปรับได้พร้อมฝาปิดปลายนำร่องและ LVDT ส่วนขั้นตอนที่สอง (วาล์วหลัก) มีลักษณะคล้ายกับวาล์วควบคุมทิศทางแบบใช้แรงดันนำร่องอื่นๆ

โครงสร้างวาล์วนำร่องขั้นแรก

วาล์วนำร่องประกอบด้วยมอเตอร์แรงบิด ท่อเจ็ท แกนหมุนพร้อมสปริงซ้ายและขวา และส่วนประกอบอื่นๆ ที่คล้ายกัน ท่อเจ็ทจะส่งแรงดันควบคุมไปยังปลายด้านใดด้านหนึ่งของแกนหมุน วาล์วนำร่องมีลักษณะคล้ายกับวาล์วควบคุมทิศทางแบบสปริงตรงกลาง

วาล์วหลักขั้นที่สอง

ขั้นตอนที่สอง (วาล์วหลัก) มีลักษณะคล้ายกับวาล์วควบคุมทิศทางแบบแปรผันประเภทอื่นๆ และจะไม่กล่าวซ้ำในที่นี้

การทำงานของวาล์วนำร่อง

กระแสสัญญาณควบคุมทางไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดมอเตอร์แรงบิดระหว่างโซลินอยด์ทั้งสอง การเปรียบเทียบและความแตกต่างของสัญญาณไฟฟ้าจะกำหนดทิศทางสนามแม่เหล็กของมอเตอร์แรงบิด ขึ้นอยู่กับว่าโซลินอยด์ใดมีสัญญาณแรงกว่า ท่อเจ็ทจะถูกส่งไปเพื่อเพิ่มแรงดันที่ปลายด้านหนึ่งของสปูลนำร่อง ในขณะเดียวกัน เอาต์พุตของอุปกรณ์ควบคุมจะเพิ่มการไหลไปยังด้านหนึ่งของสปูลวาล์วควบคุมทิศทางจนถึงค่าสัดส่วน โดยค่อยๆ เพิ่มการไหลไปยังด้านนั้นจนกว่าจะถึงค่าสัดส่วน

แนวคิดหลัก — บทที่ 10