Van thủy lực là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào?

Trong hệ thống thủy lực, dầu từ bơm không thể đưa trực tiếp đến các cơ cấu chấp hành mà không có thiết bị kiểm soát. Dòng dầu cần được đóng mở, chuyển hướng, giới hạn áp suất hoặc điều chỉnh lưu lượng tùy theo yêu cầu làm việc của từng hệ thống. Van thủy lực là nhóm thiết bị đảm nhiệm những chức năng quan trọng này.

Tùy cấu tạo và chức năng, van có thể điều khiển chuyển động của xi lanh, motor thủy lực, bảo vệ hệ thống khi áp suất tăng cao hoặc kiểm soát tốc độ của cơ cấu chấp hành. Hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của van là cơ sở để lựa chọn đúng thiết bị cũng như xác định nguyên nhân khi hệ thống vận hành bất thường.

Van thủy lực là gì?

Van thủy lực là thiết bị dùng để kiểm soát dòng chất lỏng trong hệ thống truyền động thủy lực, trong đó môi chất được sử dụng phổ biến là dầu thủy lực.

Trong một hệ thống cơ bản, bơm hút dầu từ thùng chứa và tạo dòng dầu đưa vào mạch. Các van được bố trí tại những vị trí khác nhau nhằm kiểm soát đường đi, áp suất hoặc lưu lượng của dầu trước khi dầu tới xi lanh, motor và các cơ cấu chấp hành khác.

Tùy loại van, thiết bị có thể thực hiện một hoặc nhiều nhiệm vụ:

• Đóng hoặc mở đường dầu.
• Thay đổi hướng dòng dầu.
• Giới hạn áp suất của hệ thống.
• Giảm áp suất tại một nhánh mạch.
• Điều chỉnh lưu lượng dầu.
• Ngăn dầu chảy ngược.
• Hỗ trợ khóa và giữ tải.
• Điều khiển hoạt động của xi lanh hoặc motor thủy lực.

Như vậy, van thủy lực không phải một sản phẩm có cấu tạo duy nhất. Đây là tên gọi chung của nhiều nhóm van khác nhau được sử dụng để kiểm soát hoạt động của mạch thủy lực.

Cấu tạo của van thủy lực

Cấu tạo của van phụ thuộc vào chức năng cụ thể. Van phân phối, van tràn, van một chiều hay van tỷ lệ có kết cấu và cơ chế làm việc khác nhau.

Tuy nhiên, nhiều loại van thủy lực thường có các bộ phận cơ bản sau.

Thân van

Thân van là bộ phận tạo thành kết cấu chính và chứa các đường dẫn dầu bên trong.

Trên nhiều loại van có thể gặp các ký hiệu cửa như:

• P: cửa dầu áp suất, thường nối với đường dầu từ bơm.
• T: cửa dầu hồi về thùng chứa.
• A, B: các cửa làm việc nối tới cơ cấu chấp hành.

Đây là các ký hiệu phổ biến nhưng không phải mọi van đều có đầy đủ P, T, A và B. Số lượng cũng như chức năng của các cửa phụ thuộc vào thiết kế cụ thể.

Cơ cấu đóng mở hoặc điều khiển

Đây là bộ phận trực tiếp kiểm soát đường đi của dầu bên trong van.

Tùy thiết kế, nhà sản xuất có thể sử dụng:

• Con trượt.
• Poppet.
• Bi.
• Kim van.
• Cơ cấu cartridge.
• Các kết cấu điều khiển chuyên dụng khác.

Ví dụ, ở nhiều van phân phối dạng con trượt, khi con trượt thay đổi vị trí thì mối liên hệ giữa các cửa dầu cũng thay đổi. Nhờ đó dòng dầu có thể được chuyển từ đường này sang đường khác.

Lò xo

Lò xo có thể được sử dụng để đưa cơ cấu van trở lại vị trí ban đầu, tạo lực cân bằng hoặc tham gia vào việc thiết lập áp suất.

Chức năng cụ thể của lò xo phụ thuộc vào từng loại van. Không nên áp dụng cùng một nguyên lý cho tất cả van thủy lực.

Bộ phận làm kín

Gioăng và các chi tiết làm kín giúp hạn chế dầu rò rỉ ra bên ngoài hoặc giữa những khoang cần được cách ly.

Vật liệu làm kín phải phù hợp với môi chất, nhiệt độ và điều kiện làm việc của hệ thống.

Bộ phận điều khiển

Van thủy lực có thể được tác động bằng nhiều phương pháp khác nhau như:

• Tay gạt.
• Cơ cấu cơ khí.
• Điện từ.
• Áp suất pilot.
• Tín hiệu điện tỷ lệ.
• Điều khiển servo.

Phương pháp điều khiển ảnh hưởng trực tiếp tới kết cấu và khả năng ứng dụng của van.

Nguyên lý hoạt động của van thủy lực

Không có một nguyên lý duy nhất áp dụng cho toàn bộ van thủy lực. Muốn hiểu chính xác cần xem xét chức năng của từng nhóm.

Có thể chia thành ba chức năng cơ bản: điều khiển hướng, điều khiển áp suất và điều khiển lưu lượng.

Nguyên lý điều khiển hướng dòng dầu

Van phân phối được sử dụng để thay đổi mối liên hệ giữa các đường dầu.

Ví dụ với một xi lanh hai chiều, ở một trạng thái của van, dầu áp suất có thể được cấp vào một khoang của xi lanh, trong khi dầu ở khoang còn lại được dẫn về thùng.

Khi van chuyển trạng thái, đường cấp và đường hồi thay đổi. Dầu được đưa vào khoang còn lại và piston có thể chuyển động theo chiều ngược lại.

Đây là nguyên lý được sử dụng phổ biến trong máy ép, máy công trình, thiết bị nâng hạ và nhiều hệ thống máy công nghiệp.

Nguyên lý điều khiển áp suất

Nhóm van áp suất hoạt động dựa trên sự tương tác giữa áp suất dầu và cơ cấu bên trong van.

Van tràn là một ví dụ điển hình. Khi áp suất tại cửa vào tăng tới mức cài đặt, van bắt đầu mở theo đặc tính thiết kế, cho phép dầu đi về đường hồi và qua đó hạn chế áp suất của mạch.

Ngoài van tràn còn có:

• Van giảm áp.
• Van tuần tự.
• Van cân bằng.
• Các loại van điều khiển áp suất chuyên dụng.

Mặc dù cùng làm việc liên quan tới áp suất, mỗi loại đảm nhiệm một chức năng khác nhau và không nên tùy ý thay thế cho nhau.

Nguyên lý điều khiển lưu lượng

Van lưu lượng kiểm soát lượng dầu đi qua một vị trí trong một đơn vị thời gian.

Trong nhiều mạch thủy lực, lưu lượng cấp cho cơ cấu chấp hành ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ chuyển động.

Ví dụ, khi thay đổi lưu lượng cấp cho xi lanh, tốc độ di chuyển của piston có thể thay đổi tương ứng.

Tuy nhiên, tốc độ thực tế còn phụ thuộc vào tải, kích thước xi lanh, tổn thất áp suất và cấu trúc của mạch. Vì vậy không nên xem tiết diện qua van là yếu tố duy nhất quyết định tốc độ.

Các loại van thủy lực phổ biến

Van thủy lực có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí. Nếu dựa theo chức năng trong hệ thống, một số nhóm thường gặp gồm:

Van phân phối thủy lực

Van phân phối có nhiệm vụ đóng mở hoặc thay đổi hướng dòng dầu.

Một số cấu hình thường gặp:

• Van 2/2.
• Van 3/2.
• Van 4/2.
• Van 4/3.

Trong đó, van 4/3 được sử dụng phổ biến trong nhiều mạch điều khiển xi lanh hai chiều.

Van áp suất

Nhóm van này được sử dụng để kiểm soát hoặc tác động theo áp suất của hệ thống.

Một số loại phổ biến gồm:

• Van tràn.
• Van giảm áp.
• Van tuần tự.
• Van cân bằng.

Khi lựa chọn cần xác định chính xác chức năng cần thực hiện thay vì chỉ so sánh dải áp suất của các van.

Van lưu lượng

Van lưu lượng được sử dụng để kiểm soát lượng dầu đi qua và hỗ trợ điều chỉnh tốc độ của cơ cấu chấp hành.

Một số loại thường gặp:

• Van tiết lưu.
• Van tiết lưu một chiều.
• Van điều chỉnh lưu lượng.

Van một chiều

Van một chiều cho phép dầu đi theo hướng quy định và hạn chế dòng dầu theo chiều ngược lại.

Ngoài loại thông thường còn có van một chiều có điều khiển. Loại này sử dụng tín hiệu pilot để chủ động mở chiều dòng dầu đang bị khóa khi hệ thống yêu cầu.

Van điện từ thủy lực

Van điện từ sử dụng cuộn coil để tạo tác động điều khiển.

Khi coil nhận tín hiệu điện, cơ cấu của van thay đổi trạng thái để thực hiện chức năng thiết kế.

Cần lưu ý rằng điện từ là phương pháp tác động, không phải chức năng duy nhất của van. Vì vậy không nên mặc định tất cả van điện từ thủy lực đều có nguyên lý và nhiệm vụ giống nhau.

Van tỷ lệ

Van tỷ lệ sử dụng tín hiệu điều khiển để tạo ra sự thay đổi tương ứng của đại lượng được kiểm soát như lưu lượng hoặc áp suất tùy thiết kế.

Loại van này phù hợp với các hệ thống cần khả năng điều chỉnh liên tục thay vì chỉ chuyển đổi giữa trạng thái đóng và mở.

Van servo

Van servo thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển thủy lực yêu cầu khả năng đáp ứng và độ chính xác cao.

Việc sử dụng van servo cần đi kèm yêu cầu phù hợp về hệ thống điều khiển, độ sạch của dầu và các điều kiện kỹ thuật khác.

Van thủy lực được sử dụng ở đâu?

Van thủy lực được ứng dụng rộng rãi trong các máy móc sử dụng truyền động thủy lực như:

• Máy ép thủy lực.
• Máy ép nhựa.
• Máy công trình.
• Xe nâng.
• Thiết bị nâng hạ.
• Máy gia công kim loại.
• Máy móc nông nghiệp.
• Dây chuyền sản xuất công nghiệp.
• Bộ nguồn thủy lực.
• Thiết bị hàng hải và đóng tàu.

Trong thực tế, một hệ thống thường sử dụng nhiều loại van cùng lúc. Mỗi van đảm nhiệm một nhiệm vụ và phối hợp với bơm, xi lanh, motor, bộ lọc, đường ống cùng các thiết bị khác để tạo thành mạch hoàn chỉnh.

Cách lựa chọn van thủy lực phù hợp

Một trong những sai lầm dễ gặp là chọn van chủ yếu dựa vào hình dáng hoặc kích thước bên ngoài.

Hai van có ngoại hình gần giống nhau chưa chắc có thể thay thế trực tiếp cho nhau.

Trước khi lựa chọn nên xác định:

• Chức năng của van trong mạch.
• Sơ đồ và ký hiệu thủy lực.
• Model hiện tại nếu thay thế van cũ.
• Áp suất làm việc.
• Lưu lượng yêu cầu.
• Kiểu và chuẩn lắp.
• Số cửa và số vị trí.
• Kiểu điều khiển.
• Điện áp coil nếu sử dụng van điện từ.
• Loại dầu sử dụng.
• Điều kiện nhiệt độ.
• Yêu cầu về tải và tốc độ.
• Mức độ chính xác cần thiết.

Đặc biệt với van phân phối, ngoài số cửa và số vị trí còn phải kiểm tra sơ đồ kết nối bên trong. Hai van cùng là 4/3 nhưng có trạng thái trung tâm khác nhau có thể làm cho mạch hoạt động khác nhau.

Một số lỗi thường gặp ở van thủy lực

Khi hệ thống xuất hiện sự cố, van là một trong những bộ phận cần kiểm tra. Tuy nhiên không nên mặc định mọi hiện tượng bất thường đều do van gây ra.

Van không chuyển trạng thái

Nếu van không hoạt động theo lệnh điều khiển, có thể kiểm tra:

• Nguồn điện.
• Điện áp cấp cho coil.
• Tín hiệu điều khiển.
• Tình trạng cuộn coil.
• Con trượt hoặc cơ cấu đóng mở.
• Áp suất pilot nếu có.
• Tình trạng dầu và mức độ nhiễm bẩn.

Cần kiểm tra tín hiệu đầu vào và điều kiện làm việc trước khi kết luận van bị hỏng.

Xi lanh chạy chậm hoặc không ổn định

Hiện tượng này có thể liên quan tới van nhưng cũng có thể xuất phát từ:

• Bơm không cung cấp đủ lưu lượng.
• Rò rỉ nội bộ.
• Xi lanh bị mòn.
• Đường ống gây tổn thất lớn.
• Tải thay đổi.
• Dầu không phù hợp.
• Các vị trí tiết lưu khác trong mạch.

Do đó cần kiểm tra toàn bộ hệ thống thay vì thay van ngay khi phát hiện xi lanh chạy chậm.

Dầu thủy lực nóng bất thường

Dầu nóng có thể xuất hiện khi hệ thống xảy ra tổn thất năng lượng lớn, chẳng hạn dòng dầu liên tục đi qua vị trí có chênh áp cao hoặc qua van tràn trong thời gian dài.

Tuy nhiên đây không phải lỗi riêng của van. Bơm, tải, lưu lượng, đường ống và thiết kế mạch cũng cần được kiểm tra.

Van bị rò rỉ dầu

Rò rỉ bên ngoài có thể liên quan tới gioăng làm kín, vị trí kết nối, bề mặt lắp hoặc chi tiết bị hư hỏng.

Ngoài rò rỉ nhìn thấy bên ngoài, một số van còn có thể xuất hiện rò rỉ nội bộ. Khi đó dầu đi qua những vị trí không mong muốn bên trong van và có thể làm giảm khả năng làm việc của hệ thống.

Khi nào cần kiểm tra hoặc thay van thủy lực?

Không nên thay van chỉ vì hệ thống có biểu hiện bất thường.

Trước tiên cần xác định nguyên nhân bằng cách kiểm tra mạch, áp suất, lưu lượng, nguồn điều khiển và tình trạng dầu.

Van cần được kiểm tra kỹ hơn khi xuất hiện những hiện tượng như:

• Không chuyển trạng thái dù tín hiệu điều khiển bình thường.
• Kẹt cơ cấu bên trong.
• Rò rỉ vượt mức cho phép.
• Áp suất không thể điều chỉnh theo yêu cầu.
• Hoạt động không ổn định.
• Chi tiết bên trong bị mài mòn hoặc hư hỏng.

Nếu cần thay thế, nên đối chiếu đầy đủ thông số và sơ đồ của van cũ với sản phẩm mới.

Kết luận

Van thủy lực là bộ phận quan trọng trong việc kiểm soát hướng, áp suất và lưu lượng dầu của hệ thống. Tùy chức năng, van có thể điều khiển chuyển động, giới hạn áp suất, điều chỉnh lưu lượng, ngăn dòng chảy ngược hoặc thực hiện nhiều nhiệm vụ chuyên biệt khác.

Do mỗi nhóm van có cấu tạo và nguyên lý riêng, việc lựa chọn cần dựa trên yêu cầu thực tế của mạch, sơ đồ thủy lực, áp suất, lưu lượng, chuẩn lắp và phương pháp điều khiển thay vì chỉ dựa vào kích thước hoặc hình dáng bên ngoài.

Khi cần tìm thiết bị cho hệ thống mới hoặc thay thế van đang sử dụng, có thể xem các nhóm van thủy lực để xác định đúng loại theo chức năng trước khi đối chiếu các thông số kỹ thuật cụ thể.

Câu hỏi thường gặp về van thủy lực