Một van điều khiển hướng gồm thân van có các đường dẫn bên trong và một bộ phận di chuyển được gọi là lõi van. Lõi van có thể nối thông hoặc bịt kín các đường dẫn bên trong. Đối với hầu hết các van thủy lực công nghiệp tiêu chuẩn, lõi van có dạng hình trụ — loại này được gọi là van điều khiển hướng kiểu lõi van, hay đơn giản là van lõi van. Van lõi van là loại van điều khiển hướng được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống thủy lực công nghiệp. Chương này giải thích các loại van lõi van, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phương pháp điều khiển của chúng.

Van điều khiển hướng bốn ngả

Loại van điều khiển hướng đầu tiên cần xem xét là van có bốn đường dẫn bên trong: một đường dẫn áp suất, một đường dẫn hồi (về bể chứa) và hai đường dẫn làm việc. Đây là van điều khiển hướng bốn ngả — tên gọi xuất phát từ việc thân van có bốn đường dẫn khác nhau. Van điều khiển hướng bốn ngả dùng để điều khiển xi-lanh thủy lực hoặc động cơ thủy lực đổi chiều quay.

Chức năng của van bốn ngả trong mạch

Tất cả các van điều khiển hướng đều bao gồm một thân van và một trục trượt bên trong có thể di chuyển. Trục trượt có ít nhất hai vị trí — hai vị trí giới hạn. Hai vị trí này được biểu diễn trên ký hiệu đồ họa của van điều khiển hướng bằng hai ô riêng biệt. Trong mỗi ô, các mũi tên được sử dụng để chỉ cách các đường dẫn bên trong thân van được nối với nhau khi trục trượt ở vị trí tương ứng. Khi biểu diễn van điều khiển hướng bằng ký hiệu đồ họa, cả hai ô này phải được nối liền với nhau. Khi đặt van vào mạch thủy lực, đúng một ô trong số đó phải được kết nối vào mạch. Nhờ vậy, khi cơ cấu chấp hành chuyển động theo một hướng, đường dẫn dòng chảy bên trong van điều khiển hướng sẽ được thể hiện rõ ràng. Khi cần biểu thị chuyển động của cơ cấu chấp hành theo hướng ngược lại trên ký hiệu, chỉ cần dịch chuyển mượt mà ô còn lại vào mạch.

Van điều khiển hướng chỉ có hai vị trí của trục trượt được gọi là van hai vị trí.

Hình 10-1: Van điều khiển bốn chiều. Ký hiệu hai ô biểu thị hai vị trí của cần trượt. Chỉ một ô được kết nối vào mạch tại một thời điểm; việc dịch chuyển cần trượt sẽ hoán đổi ô đang hoạt động, từ đó đảo chiều chuyển động của xi-lanh.

Chức năng mạch van bốn chiều

Khi cần trượt ở một vị trí cuối, đường dẫn áp suất nối với đường dẫn làm việc A, và đường dẫn hồi nối với đường dẫn làm việc B. Khi cần trượt chuyển sang vị trí cuối còn lại, đường dẫn áp suất nối với đường dẫn làm việc B, và đường dẫn hồi nối với đường dẫn làm việc A. Việc chuyển đổi vị trí cuối của cần trượt sẽ thay đổi hướng dòng dầu đi vào xi-lanh thủy lực, khiến cần piston đẩy ra hoặc rút vào.

Van điều khiển ba chiều

Một van điều khiển hướng ba chiều có ba đường dẫn bên trong: một đường dẫn áp suất, một đường dẫn hồi dầu và một đường dẫn làm việc. Chức năng của nó là: khi lõi van ở vị trí đầu này, nó cấp áp suất cho cổng làm việc; khi ở vị trí đầu kia, nó xả áp tại cổng làm việc. Nói cách khác, van ba chiều chuyển đổi giữa việc cấp áp và xả áp cho một cổng làm việc duy nhất.

Chức năng mạch van ba chiều

Van ba chiều có thể điều khiển các cơ cấu chấp hành tác động đơn như xi-lanh pít-tông kiểu lò xo hồi vị. Trong các ứng dụng như vậy, van ba chiều ở một vị trí sẽ dẫn dầu có áp vào đầu không cần trục (đầu không có cần) của xi-lanh; khi chuyển sang vị trí khác, dòng chảy vào cơ cấu chấp hành bị chặn lại và đường dẫn của cơ cấu chấp hành được nối với đường dẫn hồi dầu bên trong thân van, nhờ đó cần xi-lanh có thể thu về do trọng lực hoặc lực lò xo.

Khi van ba ngả ở vị trí nối thông đường làm việc với đường hồi, xi-lanh cần plunger lắp đặt theo phương thẳng đứng có thể thu vào dưới tác dụng của trọng lực, trong khi cần xi-lanh kiểu lò xo trở về sẽ thu vào dưới tác dụng của lực lò xo.

Trong các ứng dụng thủy lực công nghiệp, van ba ngả rất hiếm khi được sử dụng. Nếu cần chức năng ba ngả, người ta thường thay thế bằng van bốn ngả với một cổng làm việc bị bịt kín.

Hình 10-3: Van điều khiển hướng ba ngả điều khiển xi-lanh tác động đơn (kiểu lò xo trở về). Một vị trí cấp áp suất; vị trí còn lại nối xi-lanh với bể dầu và cho phép lò xo kéo cần thu vào.

Van điều khiển hướng hai ngả

Van điều khiển hướng hai ngả chỉ có hai đường dẫn — hai đường dẫn này có thể được nối thông hoặc ngắt kết nối bởi trục trượt. Khi trục trượt ở một vị trí đầu mút, đường dẫn dòng chảy qua van mở; khi ở vị trí đầu mút còn lại, đường dẫn bị đóng.

Chức năng mạch van hai ngả

Van điều hướng hai chiều hoạt động như một công tắc bật/tắt trong mạch. Chức năng này được sử dụng trong nhiều hệ thống dưới dạng khóa an toàn hoặc để cách ly và kết nối các thành phần khác nhau trong hệ thống.

Các thông số định mức và đặc điểm kỹ thuật của van điều hướng

Các van điều khiển hướng dùng trong thủy lực công nghiệp có sẵn ở một số kích thước cơ bản: 1/4 inch, 3/8 inch, 1/2 inch, 3/4 inch và 1-1/4 inch (6,35 mm, 9,5 mm, 12,7 mm, 19,05 mm và 31,75 mm). Trong các ứng dụng công nghiệp, chúng thường được định mức theo khả năng lưu lượng trung bình thay vì theo kích thước cổng. Ví dụ, các khả năng lưu lượng định mức là: 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) và 160 gpm (379 lpm). Tại lưu lượng định mức, độ sụt áp từ cổng P đến A hoặc từ B đến T khoảng 40 psi (2,76 bar).

Lõi van điều hướng

Trục van điều hướng bốn chiều mà chúng ta đã thấy là một trục có ba đoạn hình trụ có đường kính lớn được gọi là các 'cầu' (lands). Khoảng cách đều nhau giữa ba cầu này xác định đây là một trục van ba cầu. Phần lớn van điều hướng thủy lực công nghiệp sử dụng trục van hai cầu hoặc bốn cầu. Các van có lưu lượng định mức thấp thường dùng trục van hai cầu; còn trục van bốn cầu phổ biến hơn ở các van có định mức lưu lượng lớn.

Hình 10-5: Các trục van điều hướng. Trục van hai cầu phổ biến trong các van nhỏ hơn; trục van bốn cầu thường gặp ở các van lớn hơn. Số lượng và vị trí của các cầu quyết định các đường dẫn nào được nối thông hoặc bị chặn ở mỗi vị trí của trục van.

Van bốn chiều lắp trên bản đế

Van điều khiển hướng bốn chiều được mô tả ở trên có bốn cổng. Thông thường, cổng áp suất và cổng hồi dầu nằm ở một bên thân van, trong khi hai cổng làm việc nằm ở phía đối diện. Cách bố trí cổng như vậy rất gần với ký hiệu đồ họa của van điều khiển hướng. Để thuận tiện cho việc lắp đặt, phần lớn các van điều khiển hướng thủy lực công nghiệp sử dụng thiết kế gắn trên bản nối (subplate): thân van được bắt bu-lông vào một bản nối, và bản nối này kết nối với các đường ống hệ thống. Các cổng của van gắn trên bản nối nằm ở mặt đáy của thân van.

Bộ điều khiển van điều khiển hướng

Chúng ta đã thấy rằng cần gạt (spool) của van điều khiển hướng có thể được đặt ở một đầu hoặc đầu kia. Việc di chuyển cần gạt có thể thực hiện bằng các phương pháp cơ khí, điện, thủy lực, khí nén hoặc thủ công.

Vận hành thủ công

Một van điều hướng được điều khiển bằng sức cơ gọi là van điều khiển bằng tay. Có nhiều loại thiết bị điều khiển thủ công, bao gồm cần gạt, nút nhấn và bàn đạp chân. Cơ cấu điều khiển cơ học phổ biến nhất là chốt cam có đầu được lắp con lăn — khi cam trên bộ truyền động di chuyển xuống và tiếp xúc với con lăn, trục van sẽ dịch chuyển sang vị trí khác. Khi điều khiển bằng tay, trình tự hoạt động và việc điều khiển van điều hướng phải do ý định của người vận hành xác định. Nếu van điều hướng cần dịch chuyển tại một vị trí cụ thể của bộ truyền động, có thể sử dụng van điều hướng được điều khiển bằng cơ học.

Kiểm soát bằng cần điều khiển

Trục van điều hướng cũng có thể được dịch chuyển bằng áp suất điều khiển khí nén hoặc thủy lực. Đối với trục van bốn bậc (four-land spools), áp suất điều khiển tác động lên các bậc của trục van tại cả hai vị trí cuối. Đối với trục van hai bậc (two-land spools), áp suất điều khiển tác động lên một piston điều khiển duy nhất.

Điều khiển bằng cuộn dây điện từ (điện từ)

Cách điều khiển van đảo chiều phổ biến nhất là sử dụng cuộn hút (nam châm điện). Cuộn hút là một thiết bị cơ-điện từ chuyển đổi năng lượng điện thành lực và chuyển động cơ học tuyến tính. Bộ chấp hành tương ứng trong hệ thống thủy lực là xilanh thủy lực.

Cuộn hút kiểu khô

Trong hai loại solenoid, loại khô là thiết kế sớm hơn. Thiết bị này hoạt động dựa trên các nguyên lý điện từ cơ bản và bao gồm một lõi sắt hình chữ "T", một cuộn dây và một khung hình chữ "C". Do hình dạng của lõi sắt và khung bao quanh cuộn dây, loại này đôi khi còn được gọi là nam châm điện kiểu "CT". Sắt là chất dẫn từ tốt, trong khi không khí có độ dẫn từ kém. Nguyên lý hoạt động của solenoid loại khô như sau: trường từ hút lõi sắt vào bên trong cuộn dây, làm giảm điện trở từ lớn do khe hở không khí tại tâm cuộn dây. Khi lõi sắt di chuyển vào trong, khe hở không khí dần thu nhỏ, lực đẩy điện từ tăng lên và lực điện từ khi lõi sắt nằm bên trong cuộn dây lớn hơn so với khi nó ở bên ngoài.

Solenoid loại ướt

Cuộn dây điện từ kiểu ướt là một thiết kế tương đối mới trong lĩnh vực thủy lực công nghiệp. So với các thiết kế khe hở không khí, ưu điểm của cuộn dây điện từ kiểu ướt là khả năng tản nhiệt tốt hơn và loại bỏ các phớt trục đẩy có thể gây rò rỉ ở cuộn dây điện từ kiểu khô, từ đó nâng cao độ tin cậy.

Cấu tạo của cuộn dây điện từ kiểu ướt

Cuộn dây điện từ kiểu ướt bao gồm cuộn dây, khung hình chữ nhật, trục đẩy, phần ứng (lõi sắt) và ống dẫn hướng. Cuộn dây được đặt bên trong khung hình chữ nhật; cả hai thành phần này được bịt kín cùng nhau bằng nhựa. Bộ lắp ráp này có một lỗ xuyên tâm đi qua chính giữa cuộn dây và cả hai mặt của khung — lỗ này được lắp vừa khít lên ống dẫn hướng. Ống dẫn hướng chứa phần ứng. Ống dẫn hướng được ép chặt vào thân van điều khiển hướng; khoang bên trong của ống dẫn hướng nối thông với đường hồi của van điều khiển hướng, do đó phần ứng được ngâm trong dầu hệ thống — đây là lý do vì sao nó được gọi là "phần ứng kiểu ướt".

Nguyên lý hoạt động của cuộn dây điện từ kiểu ướt

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, cuộn dây sinh ra một trường từ, được tăng cường bởi mạch từ bằng sắt hình chữ nhật bao quanh cuộn dây và phần tử chuyển động (armature) nằm ở tâm cuộn dây. Khi dòng điện được cấp vào cuộn dây có armature ngâm trong dầu (wet armature coil), armature di động nằm một phần bên ngoài cuộn dây. Trường từ do dòng điện tạo ra kéo armature vào trong, tác động cơ học lên thanh đẩy (push rod) được kết nối trực tiếp với van phân phối (valve spool), làm thay đổi vị trí của van điều khiển hướng dòng. Khi spool dịch chuyển, armature hoàn toàn đi vào bên trong cuộn dây, khiến trường từ của cuộn dây tập trung hoàn toàn vào mạch từ bằng sắt.

Sắt là một chất dẫn từ tốt, trong khi dầu bao quanh phần tử chuyển động (armature) và thanh đẩy (push rod) có độ dẫn từ rất kém. Nguyên lý hoạt động của cuộn hút điện từ kiểu ướt (wet-type solenoid) như sau: trường từ hút phần tử chuyển động vào trong nhằm giảm khoảng hở không khí lớn tại tâm cuộn dây. Khi phần tử chuyển động di chuyển vào trong, khoảng hở dần thu nhỏ, lực đẩy điện từ tăng lên và khi phần tử chuyển động hoàn toàn nằm bên trong cuộn dây thì lực điện từ tạo ra lớn hơn lực ở bên ngoài.

Hình 10-9: Cuộn hút điện từ kiểu ướt. Phần tử chuyển động được ngâm trong dầu thủy lực (do đó gọi là "ướt"), loại bỏ cần thiết phải có phớt động (dynamic seal) cho thanh đẩy. Khả năng tản nhiệt và độ tin cậy tốt hơn so với loại khô (dry-type).

Độ ù (tiếng vo ve) xoay chiều

Tại Hoa Kỳ, nguồn điện điều khiển công nghiệp thường là dòng xoay chiều (AC). Dòng điện xoay chiều của Mỹ dao động từ 0 lên cực đại dương, sau đó giảm về 0, tiếp tục xuống cực đại âm và quay lại 0 với tần số 60 chu kỳ mỗi giây (60 Hz). Khi dòng điện đạt cực đại dương hoặc cực đại âm, từ trường và lực điện từ cũng đạt giá trị lớn nhất. Khi dòng điện giảm qua điểm 0, từ trường và lực điện từ cũng giảm theo, khiến bộ phận tải cuộn dây điện từ có lò xo đẩy (thường là trục van được lò xo đẩy) đẩy lõi sắt hoặc phần ứng ra ngoài. Khi từ trường và lực điện từ tăng trở lại, chúng kéo lõi sắt hoặc phần ứng vào trong. Chuyển động này tạo ra tiếng kêu vo ve, ù ù hoặc rung động đặc trưng của cuộn dây điện từ — tiếng ù do dòng xoay chiều.

Vòng ngắn mạch (cuộn che bóng)

Để giảm tiếng ù do dòng xoay chiều (AC) và tăng lực đẩy của cuộn hút, người ta sử dụng một vòng ngắn mạch (cuộn che sáng) nhằm bù trừ. Ở các cuộn hút kiểu khô, vòng ngắn mạch là một vòng đồng được gắn vào khung hình chữ C. Ở các cuộn hút kiểu ướt, vòng này là một vòng đồng đặt ở đầu thanh đẩy của ống dẫn hướng. Khi cuộn hút hoạt động, vòng ngắn mạch sẽ cảm ứng ra một dòng điện lệch pha so với dòng làm việc đặt vào. Nhờ đó, khi từ trường chính của cuộn dây đạt giá trị cực tiểu, từ trường do vòng ngắn mạch sinh ra vẫn đủ mạnh để giữ lõi sắt hoặc phần ứng, giúp giảm đáng kể tiếng ù do dòng xoay chiều.

Dòng điện xoáy

Trường từ xoay chiều (AC) dao động có thể tạo ra các dòng điện rò nhỏ trong cuộn hút — đây là các dòng điện xoáy, chạy theo các mạch kín nhỏ trong mạch từ bằng sắt, tiêu thụ công suất và sinh nhiệt, làm giảm lực đẩy đầu ra của cuộn hút. Để giảm thiểu ảnh hưởng của dòng điện xoáy, người ta sử dụng các lá kim loại mỏng (lá thép kỹ thuật điện) để chế tạo khung C và lõi sắt của cuộn hút kiểu khô. Các lá kim loại này được cách điện với nhau nhờ lớp oxit. Trường từ dễ dàng đi dọc theo đường dẫn từ bình thường của các lá thép, nhưng do có các lớp cách điện, dòng điện xoáy không thể lan truyền giữa các lá thép. Vì khung C được tạo thành bằng cách xếp chồng các lá thép cách điện lên nhau, nên nó thường được gọi là "bộ khung C dạng xếp chồng". Đối với cuộn hút kiểu ướt, việc giảm thiểu dòng điện xoáy cũng sử dụng các lá thép kỹ thuật điện cách điện để chế tạo khung hình chữ nhật; tuy nhiên, phương pháp này không áp dụng được cho phần lõi di động (armature), bởi vì cuộn hút kiểu ướt có công suất mạnh hơn cuộn hút kiểu khô. Về mặt độ bền, việc chế tạo phần lõi di động từ các lá thép xếp chồng là không khả thi — ở cuộn hút kiểu ướt, phần lõi di động được làm từ một khối thép đặc.

Dòng điện xung kích của cuộn hút

Điện xoay chiều trong các cuộn hút tạo ra lực điện từ làm dịch chuyển trục van điều hướng, nhưng đồng thời cũng sinh nhiệt, cuối cùng dẫn đến cháy cuộn hút. Dòng điện đi qua cuộn hút càng lớn thì khả năng hỏng cuộn hút càng cao. Nếu cuộn hút không di chuyển để khép khe hở không khí, cuộn dây sẽ mang dòng điện rất lớn, gây quá nhiệt. Khác với hệ thống thủy lực, nơi lưu lượng tương đối ổn định, trong các hệ thống điện thông thường dòng điện phụ thuộc vào điện trở — điện trở càng cao thì dòng điện càng thấp và nhiệt sinh ra càng ít. Vì nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ làm việc của cuộn hút, mục tiêu là sử dụng dòng điện nhỏ nhất có thể trong khi vẫn tạo đủ lực dịch chuyển. Điều này đạt được bằng cách thiết kế các cuộn dây có tổng trở xoay chiều (điện trở phản kháng) đủ lớn.

Trở kháng có hai thành phần: điện trở thuần của vật liệu dây dẫn đối với dòng electron — đồng có điện trở thấp hơn nhôm — và hiệu ứng trở kháng do trường điện từ xung quanh các vòng dây cuộn tạo ra. Trường từ này cản trở hoặc giới hạn dòng điện đi vào cuộn dây. Trường càng mạnh thì dòng điện trong cuộn dây nam châm điện càng nhỏ.

Khi nam châm điện vừa được cấp điện, lõi sắt di động hoặc phần tử tác động nằm một phần bên ngoài cuộn dây, tạo ra khe hở không khí lớn tại tâm cuộn dây. Lúc này, trường từ chưa mạnh lắm; điện trở đối với dòng điện chủ yếu đến từ điện trở thuần của dây dẫn, gây ra dòng điện khởi động lớn trong các vòng dây cuộn. Khi lõi sắt hoặc phần tử tác động di chuyển vào trong, khe hở không khí dần khép lại và dòng điện giảm dần. Khi lõi sắt hoặc phần tử tác động đã ngồi hoàn toàn vào vị trí, trở kháng đạt giá trị cực đại và dòng xoay chiều (AC) đạt giá trị nhỏ nhất.

Dòng điện xung đỉnh khi cuộn hút điện từ được cấp điện lần đầu cao gấp nhiều lần dòng điện giữ khi lõi sắt hoặc phần ứng đã hoàn toàn vào vị trí. Nếu có vật cản cơ học ngăn lõi sắt hoặc phần ứng không thể vào vị trí hoàn toàn, một dòng điện rất lớn sẽ đi vào cuộn dây — sinh ra nhiệt lượng khổng lồ. Đối với các cuộn hút điện từ kiểu khô không kín, hiện tượng này làm chảy các bộ phận bằng nhựa ở đầu cuộn dây; đối với các cuộn hút điện từ kiểu khô kín hoặc kiểu ướt, nó khiến lớp gioăng nhựa phồng lên. Trong cả hai loại, lớp cách điện dây dẫn bị cháy ngay lập tức và trong vòng một hoặc hai phút, cuộn dây sẽ ngắn mạch — đây chính là hiện tượng xảy ra khi van trượt bị kẹt, ngăn cuộn hút điện từ thay đổi trạng thái.

Hình 10-10: Dòng điện xung và dòng điện giữ của cuộn hút điện từ xoay chiều. Khi vừa được cấp điện, khe hở không khí lớn cho phép dòng điện xung cao (gấp nhiều lần dòng điện giữ). Khi đã vào vị trí hoàn toàn, trở kháng tăng lên và dòng điện giảm xuống. Trường hợp van trượt bị kẹt (khe hở không bao giờ khép lại) dẫn đến dòng điện xung duy trì liên tục — chắc chắn gây cháy cuộn dây.

Cuộn hút điện từ có khả năng làm việc liên tục

Một cuộn dây điện từ có khả năng hoạt động liên tục có thể duy trì trạng thái được cấp điện trong thời gian dài mà không bị quá nhiệt. Khả năng tản nhiệt của cuộn dây điện từ đủ để tản hầu hết lượng nhiệt sinh ra bởi dòng điện giữ nhỏ hơn đi qua cuộn dây. Phần lớn các van thủy lực điều khiển hướng công nghiệp sử dụng cuộn dây điện từ có khả năng hoạt động liên tục.

Các hạn chế của cuộn dây điện từ

Các van điều khiển hướng được điều khiển bằng nam châm điện có một số hạn chế. Thứ nhất, các cuộn dây nam châm điện thông thường không thể sử dụng trong môi trường ẩm ướt hoặc dễ nổ. Thứ hai, khi tuổi thọ phục vụ của van điều khiển hướng cần đặc biệt dài, người ta thường cũng tránh sử dụng các cuộn dây nam châm điện điều khiển bằng điện. Có lẽ nhược điểm lớn nhất của nam châm điện là lực dịch chuyển mà chúng tạo ra bị giới hạn. Thực tế, đối với các van điều khiển hướng cỡ lớn, lực dịch chuyển yêu cầu khá lớn. Đối với các van cỡ lớn (1/4" hoặc 3/8" / 6,35 mm hoặc 9,5 mm), van điều khiển hướng bằng nam châm điện thường được lắp đặt ở phía trên, và trong quá trình dịch chuyển, dòng chảy từ van nhỏ được dẫn vào phía tương ứng của trục van lớn. Loại van này được gọi là van điều khiển hướng kiểu van dẫn động bằng nam châm điện.

Hỏng cuộn dây nam châm điện

Nhiệt độ là nguyên nhân chính gây hỏng cuộn dây nam châm điện của van điều khiển hướng tác động trực tiếp, thường do kẹt cuộn dây nam châm điện, nhiệt độ môi trường xung quanh cao hoặc điện áp thấp (lực dịch chuyển không đủ để đưa lõi sắt hoặc phần tử chuyển động về vị trí đóng hoàn toàn).

Kẹt cuộn dây nam châm điện

Một cuộn dây bị kẹt ngăn không cho lõi sắt hoặc phần ứng ngồi đúng vị trí, khiến cuộn dây solenoid liên tục tiêu thụ dòng điện khởi động rất cao. Solenoid không thể tản nhiệt lượng nhiệt khổng lồ sinh ra, dẫn đến cháy cuộn dây. Mặc dù lưu lượng chất lỏng đi qua van quá lớn có thể gây kẹt solenoid, nhưng nguyên nhân phổ biến hơn của hiện tượng kẹt là sự can thiệp cơ học vào chuyển động của cần trượt. Các tạp chất (như bùn, mảnh kim loại, cát lõi, và băng dán PTFE) có thể làm kẹt cần trượt, hoặc cần trượt có thể bị kẹt do các ba-via giữa cần trượt và thân van. Các hạt oxy hóa dầu và lớp bóng dầu (oil varnish) có thể bám vào cần trượt, làm mất khe hở giữa cần trượt và thân van — việc làm sạch bằng dung môi có thể loại bỏ lớp bóng dầu. Một tấm lắp đặt bị cong vênh cũng có thể gây kẹt solenoid: khi siết chặt bu-lông lắp đặt, thân van có thể bị uốn cong nhẹ, hạn chế chuyển động của cần trượt và dẫn đến cháy cuộn dây. Yêu cầu về độ phẳng của tấm lắp đặt thường nằm trong khoảng 0,0003–0,0005 inch (0,00762–0,0127 mm).

Đối với các cuộn dây điện từ kiểu khô, khi lõi sắt của cuộn dây điện từ được kéo vào trong cuộn dây, hiện tượng mài mòn xảy ra giữa lõi sắt và khung C. Khi tháo rời loại cuộn dây điện từ này, nên lắp lại lõi sắt vào vị trí ban đầu của nó. Nếu không, phần bị mài mòn sẽ không căn chỉnh đúng, lõi sắt không thể ngồi hoàn toàn vào vị trí, và cuộn dây điện từ phát ra tiếng ù — đây là dấu hiệu cho thấy thiết bị sắp hỏng.

Đôi khi cả hai cuộn dây điện từ trong van điều khiển hướng hai cuộn dây có thể cùng được cấp điện đồng thời — điều này có nghĩa là một lõi sắt hoặc phần ứng được đóng hoàn toàn, trong khi phần còn lại bị kẹt. Hệ quả là cuộn dây điện từ bị cháy. Việc cấp điện đồng thời cho cả hai cuộn dây điện từ thường do sự cố ở thiết bị điều khiển điện hoặc lỗi đấu dây.

Nhiệt độ môi trường cao

Khi dòng điện hút lõi sắt hoặc phần tử chuyển động (armature) của cuộn hút vào, nhiệt sinh ra phải được tản ra từ cuộn dây. Nếu nhiệt độ không khí xung quanh quá cao, việc tản nhiệt sẽ trở nên khó khăn và cuộn dây có thể bị cháy. Hiện tượng này có thể xảy ra nếu thông gió kém hoặc thiết bị hoạt động gần các nguồn nhiệt.

Điện áp thấp

Đối với cuộn hút 110 V, 60 Hz, khi điện áp lưới giảm xuống khoảng 100 V, lực điện từ sinh ra không đủ để đưa lõi sắt hoặc phần tử chuyển động (armature) vào vị trí làm việc đầy đủ trong khoảng thời gian thiết kế. Do thời gian dòng điện khởi động (inrush current) kéo dài, cuộn hút hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, cuối cùng dẫn đến hỏng hóc. Đôi khi, các dấu hiệu ban đầu của hiện tượng cháy cuộn dây là tiếng kêu vo ve hoặc rung động. Các vấn đề do điện áp thấp thường xuất hiện trong nhiều môi trường nhà máy sử dụng điện công nghiệp. Nếu nghi ngờ điện áp thấp, công ty cung cấp điện có thể lắp đặt đồng hồ ghi chép liên tục trong 24 giờ để kiểm tra điều kiện thực tế.

Van phân phối ba vị trí

Trong các ví dụ trước, chúng ta đã thảo luận về van điều khiển hướng hai vị trí (có hai vị trí cuối). Trong một số ứng dụng, người ta sử dụng van điều khiển hướng ba vị trí. Vị trí giữa thứ ba là vị trí trung lập hoặc vị trí chuyển tiếp. Ký hiệu đồ họa của van điều khiển hướng ba vị trí gồm ba ô — ô ở giữa biểu thị vị trí trung tâm và các kết nối bên trong khi cần gạt ở vị trí trung tâm.

Van điều khiển hướng ba vị trí có lò xo định tâm

Loại van điều khiển hướng ba vị trí phổ biến nhất là loại có lò xo định tâm. Van này được trang bị lò xo ở cả hai đầu nhằm giữ cần gạt ở vị trí trung tâm khi không có cuộn dây nào được cấp điện.

Hình 10-12: Van điều khiển hướng ba vị trí có lò xo định tâm. Các lò xo giữ cần gạt ở vị trí trung tâm khi cả hai cuộn dây đều không được cấp điện. Vị trí trung tâm xác định hành vi của tải xi-lanh khi máy dừng hoạt động.

Các điều kiện ở vị trí trung tâm

Có bốn cấu hình vị trí trung tâm phổ biến. Việc lựa chọn điều kiện trung tâm xác định hành vi của mạch khi van điều khiển hướng ở vị trí trung tâm (không có cuộn dây nào được cấp điện):

Hình 10-13: Bốn cấu hình vị trí trung tâm. Việc lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu của mạch: liệu xy-lanh cần giữ nguyên vị trí, di chuyển tự do (float), hay bơm cần được giải tải khi van ở vị trí trung tâm.

Van điều khiển hướng tỷ lệ

Van điều khiển hướng tiêu chuẩn chuyển đổi giữa các vị trí rời rạc (mở/đóng). Van điều khiển hướng tỷ lệ cho phép trục van (spool) được đặt ở bất kỳ vị trí nào giữa trạng thái hoàn toàn mở và hoàn toàn đóng, với mối quan hệ mượt mà giữa tín hiệu điện đầu vào và vị trí trục van cũng như lưu lượng. Điều này cho phép điều khiển liên tục và biến thiên cả hướng và lưu lượng bằng một van duy nhất.

Van điều khiển hướng điều khiển bằng áp lực phụ trợ

Đối với các ứng dụng có lưu lượng lớn, khi lực điện từ của cuộn hút không đủ để dịch chuyển trực tiếp van trượt chính, người ta sử dụng thiết kế van điều khiển bằng áp lực phụ (pilot-operated). Một van điều khiển phụ nhỏ được điều khiển bằng cuộn hút sẽ dẫn hướng áp lực điều khiển phụ (pilot pressure) nhằm dịch chuyển van trượt chính lớn hơn. Thiết kế hai cấp này cho phép các cuộn hút nhỏ điều khiển lưu lượng rất lớn — van điều khiển phụ thực hiện chức năng chuyển mạch, còn áp lực điều khiển phụ thực hiện công việc dịch chuyển van trượt chính.

Hình 10-14: Van đổi chiều điều khiển bằng áp lực phụ. Van điều khiển phụ nhỏ được điều khiển bằng cuộn hút (phía trên) dẫn hướng áp lực điều khiển phụ để dịch chuyển van trượt chính lớn (phía dưới). Thiết kế này cho phép các cuộn hút nhỏ điều khiển van chính có lưu lượng cao.

Van đổi chiều điện từ tỷ lệ

Trong thiết bị điều khiển, tín hiệu đảo chiều và tín hiệu đầu vào được đưa vào cùng một lúc. Tín hiệu "lỗi" phát sinh giữa hai tín hiệu này điều khiển thiết bị điều khiển cấp điện tỷ lệ cho một trong hai cuộn solenoid "A" hoặc "B." Khi cuộn solenoid được cấp điện, nó chuyển đổi tín hiệu thành lực. Cuộn solenoid tỷ lệ đặt ở trung tâm thân van, kết hợp với lò xo định vị của van điều khiển phụ, chuyển áp suất điều khiển này thành vị trí của cần gạt điều khiển phụ. Cảm biến vị trí (LVDT) nối trực tiếp với cần gạt van chính, chức năng của nó là cung cấp phản hồi tự động cho cần gạt điều khiển phụ.

Van điều hướng chênh lệch áp suất (điều khiển bằng động cơ mô-men xoắn)

Van điều hướng chênh lệch áp suất là loại ba cấp — với van điều khiển phụ là cấp thứ nhất và van chính là cấp thứ hai. Van điều khiển phụ có cấu tạo phức tạp hơn, bao gồm động cơ mô-men xoắn, các lò xo, ống phun, cần gạt điều chỉnh được kèm nắp chụp đầu điều khiển phụ và cảm biến LVDT. Cấp thứ hai (van chính) có cấu tạo tương tự các van điều hướng điều khiển bằng van phụ khác.

Cấu tạo van điều khiển giai đoạn đầu

Van điều khiển gồm một động cơ xoắn, ống phun, trục trượt với lò xo bên trái và bên phải, cũng như các thành phần tương tự. Ống phun định hướng áp suất điều khiển tới một trong hai đầu của trục trượt. Van điều khiển có kiểu dáng tương tự van phân phối có tâm lò xo.

Van chính giai đoạn thứ hai

Giai đoạn thứ hai (van chính) tương tự các loại van phân phối tỷ lệ khác và sẽ không được trình bày lại ở đây.

Nguyên lý hoạt động của van điều khiển

Dòng điện tín hiệu điều khiển điện đi qua các cuộn dây của động cơ mô-men xoắn nằm giữa hai cuộn solenoid. Việc so sánh và chênh lệch giữa các tín hiệu điện xác định hướng của từ trường động cơ mô-men xoắn. Tùy thuộc vào cuộn solenoid nào có tín hiệu mạnh hơn, ống phun sẽ được điều hướng để tạo áp suất tại một đầu của cần trượt dẫn động (pilot spool). Đồng thời, đầu ra của thiết bị điều khiển làm tăng lưu lượng đến một bên của cần trượt van đổi chiều lên tới giá trị tỷ lệ, từ từ tăng lưu lượng đến bên đó cho đến khi đạt giá trị tỷ lệ.

Các khái niệm cốt lõi — Chương 10