Chọn lựa valve phân phối điện từ

[Thợ máy]

Valve phân phối điện từ là một sản phẩm thông dụng và phổ biến nhất trong tất cả các sản phẩm thủy lực. Có thể nói hầu như ai cũng biết nó và có thể dễ dàng mua nó ở bất cứ cửa hàng bán vật tư thủy lực nào trên toàn quốc.

Thế nhưng, lựa chọn và lắp ghép nó vào trong mạch thiết kế thủy lực như thế nào thì chưa hẳn ai cũng làm được đúng cách, kể cả một số bạn đã làm việc với hệ thống thủy lực lâu năm rồi. Qua bài viết này, tôi xin viết lại một số kinh nghiệm làm việc của mình chia sẻ với các bạn để dễ dàng hơn trong việc thiết kế, sử dụng valve điện từ thủy lực trong công nghiệp.

Trước tiên, cứ nhắc lại một vài thông tin cơ bản để chúng ta cùng một lối suy nghĩ. Valve phân phối điện từ (sau đây goi tắt là valve điện từ) ở đây là loại sử dụng trong công nghiệp, được điều khiển đóng mở ON/OFF bằng dòng điện AC hoặc DC thông qua cuộn điện từ (còn có các loại valve khác điều khiển bằng tay/cơ khí/khí nén hoặc tín hiệu thủy lực khác cũng có chức năng làm việc tương tự). Loại valve này thường có 4 cửa làm việc chính P-T-A-B trong đó P là cửa cấp nguồn, T là cửa dầu rời khỏi thân valve còn hai cửa A-B được nối với cơ cấu làm việc xy lanh hoặc/và motor thủy lực hoặc mạch nhánh khác. Ngoài ra còn có các cửa phụ ký hiệu là X hoặc Y là các cửa dầu cấp tín hiệu điều khiển từ bên ngoài vào valve & cửa L thường là cửa xả bỏ dầu thừa từ trong thân valve về thùng gom. Một số sơ đồ có valve được ký hiệu chỉ có 3 cửa P-T-A nhưng về bản chất nó cũng như valve 4 cửa P-T-A-B. Trường hợp này người ta thường chế tạo mặt đế valve bịt đi cái cửa không làm việc là xong!

Valve điện từ loại ON/OFF nên thường chỉ có loại: 2 vị trí hoặc 3 vị trí làm việc. Vị trí làm việc ở đây được hiểu là vị trí “đứng yên” của con trượt trong thân valve khi có tác dụng đóng/mở của tín hiệu điện ở cuộn điện từ. Điều khác biệt về vị trí của valve 3 cửa so với 2 cửa là lõi valve 3 cửa được giữ ở 1 vị trí làm việc nhờ 2 lò xo 2 bên. Nhân đây cũng xin mở ngoặc nói luôn cho khỏi quên là một số bạn thường phân biệt valve 4/3 và valve 4/2 ở số cuộn coil với quan niệm: Valve 4/3 có 2 cuộn còn valve 4/2 chỉ có 1 cuộn. Điều này không hoàn toàn đúng khi valve phân phối 4/2 cũng sẽ có 2 cuộn điện từ khi nó không dùng lò xo hồi vị. Trường hợp này cũng rất hay được sử dụng khi người ta muốn sử dụng tín hiệu điện chắc chắn cho một vị trí làm việc của valve.

Để nói về valve cho nhanh gọn và dễ hiểu, người ta thường gọi valve theo số cửa và vị trí làm việc. VD: valve 4/2 (4 cửa, 2 vị trí) hoặc 4/3 (hay ở dạng subplate) hay 3/2 hoặc 2/2 (thường ở dạng screw-in).

Dưới đây là hình kết cấu cơ bản và ký hiệu của một valve điện từ cơ bản.



Xin nhắc lại nguyên lý làm việc của valve này: Lõi con trượt với các gờ làm kín nằm bên trong thân valve được đẩy tới lui nhờ lực điện từ và lò xo sẽ mở thông hoặc đóng kín các cửa dầu P-T-A-B ở thân valve và do đó chuyển hướng hoặc ngăn chặn dòng chảy dầu thủy lực qua valve. Chính vì nguyên lý này mà valve điện từ được gọi là valve phân phối, valve chuyển hướng, directional control valve DVC… Valve điện từ được sử dụng trong các mạch thủy lực để đảo chiều làm việc các cơ cấu, chuyển hướng hoặc khóa chặn dòng chảy từ nơi này đến nơi khác.

Thế là xong màn chào hỏi, chúng ta đi vào nội dung chính của bài viết: Lựa chọn một valve điện từ đúng cách.

Trước tiên phải hiểu ý nghĩa sơ đồ thủy lực của nó (symbol của valve). Trong các ô hình vuông có các mũi tên chỉ chiều của dòng chảy hướng từ P đến các cửa còn lại A-B-T hoặc các dấu chữ “T” ngược hay xuôi nối với các cửa để chỉ các cửa đó bị bịt tịt lại, tức là dòng chảy bị chặn lại khi đến cửa đó. Bằng cách phối hợp các hướng dòng chảy với các cửa, người ta có thể điều chuyển dòng chảy của dầu qua valve theo ý muốn. Thông thường có 2 loại valve điện từ được sử dụng:
- Loại valve 4/2 (hoặc 3/2) thường được dùng để điều chuyển (rẽ ngoặt) dòng chất lỏng ra khỏi hoặc hướng tới 1 cơ cấu làm việc khác.
- Loại valve 4/3 thường được sử dụng để đảo chiều quay motor hoặc chiều chuyển động tới – lui của xy lanh thủy lực.

Hãy để ý trên ký hiệu valve 4/3 ở khoang giữa không giống nhau còn hai khoang 2 bên hầu hết là như nhau. Đây chính là điều phải bàn nhất đối với loại valve 4/3 này.

Vị trí giữa của valve 4/3 được quan tâm nhất vì nó phản ánh ý muốn của người thiết kế và cũng là cái để phân biệt các loại valve với nhau. Có hai phân loại vị trí làm việc giữa của valve là Closed-Center và Opened-Center. Chi tiết các bạn có thể tham khảo bài viết đã có trên diễn đàn ở đây.

Việc lựa chọn loại valve 4/3 nào (thông qua lựa chọn vị trí giữa của valve) tưởng là dễ hóa ra không đơn giản chút nào vì các bạn phải có tư duy thiết kế cả hệ thống làm việc của mình. Nếu bạn lựa chọn mạch không phù hợp hệ thống của bạn sẽ mất an toàn hoặc không sử dụng được.

Một điều mà đến 90% người thiết kế không quan tâm đến khi lựa chọn valve 4/3 là các vị trí chuyển tiếp giữa 3 vị trí chính của valve. Xin hãy lưu ý là vị trí chuyển tiếp này rất quan trọng và nó cũng quyết định rất lớn đến chất lượng làm việc của valve và hệ thống. Nó thường gây ra các sự cố rung-giật-không điều khiển êm ái hoặc gây ra kẹt lõi valve khi làm việc. Ở đây là một ví dụ điển hình của việc lựa chọn valve không đúng này.

Vị trí chuyển tiếp được các hãng sản xuất valve có uy tín rất coi trọng và nghiên cứu kỹ lưỡng để cho ra nhiều lựa chọn khi thiết kế còn các nhà sản xuất nhỏ thường không công bố. Nó thường được in rất rõ ràng trong các tài liệu kỹ thuật và được vẽ bằng nét đứt hoặc bôi mầu nằm giữa các vị trí làm việc chính của valve như hình dưới đây.



Sau khi đã lựa chọn được ký hiệu valve phù hợp cho mạch của mình, các bạn phải quan tâm đến áp suất & lưu lượng làm việc để tìm ra size valve mình cần.

Trước tiên là lưu lượng làm việc: Theo tiêu chuẩn ISO4401 được sử dụng phổ biến hiện tại cho các loại valve thì các size valve thể hiện lưu lượng thông qua valve.

Cụ thể như sau:

CEPTOP/Size 3 / NG6 5 / NG10 7/ NG16 8 / NG22 8 / NG25 10 / NG32
Qmax (lpm) 80 120 300 450 700 1100

Giá trị này thường được các nhà sản xuất valve công bố và in ngay ở trang đầu tài liệu các size valve. Tuy nhiên, ít người chịu chú ý là lưu lượng này chỉ là lưu lượng MAX và chỉ áp dụng cho một số loại symbol valve cùng trong một size và còn giảm đi rất nhiều khi áp suất làm việc tăng cao. Hãy nhớ lật thêm vài trang sách và kiểm tra đường đồ thị đặc tính làm việc Q-p của loại valve bạn chọn để chắc chắn valve không bị nhỏ quá đối với lưu lượng-áp suất làm việc của thiết bị.

Dưới đây là trích một biểu đồ Q-p của valve 4WE10 của hãng Rexroth (Đức) để tham khảo:



Áp suất làm việc: Thông thường áp suất làm việc của valve được các hãng cam kết lên đến 315 bar. Tuy nhiên không phải valve của hãng sản xuất nào cũng chịu được áp suất này liên tục mà không gặp phải sự cố gì. Kinh nghiệm của tôi là các valve Trung Quốc, Đài Loan chỉ làm việc được ở khoảng áp suất đến 200 bar, đến 300 bar thì phải dùng của các nhà sản xuất tên tuổi như Rexroth – Parker – Vickers... Riêng các ứng dụng có áp suất trên 300 đến 350 bar thì chỉ có một vài tên tuổi và lưu ý là series này được nhà sản xuất đánh mã riêng.

Vì valve điện từ làm việc thông qua các kênh và khe hở đóng/mở của lõi con trượt nên dòng dầu qua nó có tổn thất. Tổn thất áp suất này có khi dầu đi từ P->T; P->A; P->B và A-B=> T và được nhà sản xuất ghi rõ trong tài liệu kỹ thuật bằng một biểu đồ xác định tổn thất áp suất như dưới đây của hãng Rexroth:



Việc xác định tổn thất áp suất này trên thân valve cả chiều đi và chiều về là quan trọng và phải đặc biệt tính đến khi hệ thống làm việc với áp suất thấp hoặc ở các cụm valve mắc nối tiếp nhau. Cũng lưu ý là áp suất làm việc của cửa T của hầu hết các loại valve không đạt được áp suất max 315/350 bar như các cửa P-A-B. Nó chỉ chịu được áp suất khoảng 150 bar đối với cuộn điện từ AC nên là lý do người ta không mắc các valve nối tiếp nhau sử dụng valve P->T đối với các mạch cao áp.

Một lưu ý đặc biệt nữa khi tính toán lựa chọn valve điện từ là thời gian đáp ứng của lõi con trượt khi có tín hiệu điện điều khiển cấp vào. Thông thường tốc độ đáp ứng của valve là rất nhanh (từ 15 đến 25 ms) nên gây ra sự đóng mở đột ngột các cửa dầu – đặc biệt nếu loại valve có các cửa bị đóng ở các vị trí chuyển tiếp. Điều này tạo ra chất lượng làm việc không ổn định của các cơ cấu chấp hành gây ra những đáp ứng không mong muốn. Vì vậy, đối với các hệ thống đòi hỏi sự điều khiển trơn – êm, bạn cần thiết phải lựa chọn loại valve điện từ được thiết kế riêng (thường gọi là soft shift hay shockless hoặc smooth control valve).

Ví dụ Rexroth có loại valve series 73, Vickers và YUKEN có loại series S, Denison/Parker có option G3… Loại valve này được thiết kế để thời gian đáp ứng của valve tăng lên.



Đối với các valve 2 tầng (valve mẹ bồng con), cần thiết phải có một valve tiết lưu đặt giữa tầng valve điện từ điều khiển và thân valve chính để điều khiển thời gian đóng/mở này như hình vẽ dưới đây (Trích từ tài liệu của Denison Hydraulics).



Cuối cùng là lựa chọn valve hoạt động với điện áp nào: AC hay DC?
Thông thường cuộn điện từ DC24 thường được lựa chọn vì nó có mứa điện áp thấp nên an toàn, tần suất làm việc đóng mở lớn (gấp đôi so với AC), thời gian đáp ứng trễ hơn. Tuy nhiên, theo kinh nghiệm của tôi cuộn DC dễ cháy – chập hơn và dĩ nhiên không thuận tiện bằng sử dụng cuộn Ac vì phải thêm các relay, bộ đổi điện áp AC/DC.