I. Chức năng cốt lõi củaVan điện từ
Van điện từ, với tư cách là thành phần chính để chuyển đổi điện{0}}khí nén, chịu trách nhiệm chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu khí nén một cách hiệu quả. Sau khi nhận được lệnh điều khiển, van điện từ có thể nhả, dừng HOẶC thay đổi hướng dòng khí nén một cách chính xác, từ đó đạt được nhiều chức năng, bao gồm điều khiển hướng hoạt động của bộ phận truyền động khí nén, điều khiển số lượng công tắc BẬT/TẮT, điều khiển logic VÀ HOẶC/KHÔNG/VÀ. Trong số các loại van điện từ khác nhau, van điều khiển hướng điều khiển điện từ giữ vị trí cốt lõi và đóng vai trò quan trọng.
tôi. Nguyên lý làm việc của van điều khiển hướng điều khiển điện từ
Trong các hệ thống khí nén, van điều khiển hướng điều khiển điện từ đóng một vai trò quan trọng. Nó có nhiệm vụ điều khiển việc đóng mở kênh dẫn khí hoặc thay đổi hướng dòng khí nén. Nguyên lý hoạt động cốt lõi của nó dựa vào lực điện từ do cuộn dây điện từ tạo ra. Lực này sẽ khiến lõi van chuyển mạch, từ đó đạt được mục đích đảo ngược luồng khí. Theo các cách khác nhau mà bộ phận điều khiển điện từ đẩy van điều khiển hướng, van điều khiển hướng điều khiển điện từ có thể được chia thành hai loại: vận hành-trực tiếp và vận hành-điều khiển. Van điện từ tác động trực tiếp-sử dụng trực tiếp lực điện từ để điều khiển lõi van theo hướng ngược lại, trong khi các van điều khiển hướng vận hành-thí điểm dựa vào áp suất không khí thí điểm do van thí điểm điện từ tạo ra để điều khiển lõi van đạt được khả năng đảo ngược.
Hình 1 thể hiện mặt cắt ngang đơn giản của van điện từ tác động trực tiếp 3/2 (ba{4}}hai chiều-{6}}(loại thường mở) và nguyên lý làm việc của nó. Khi cuộn dây được cấp điện, lõi sắt tĩnh sẽ sinh ra lực điện từ, lực này sẽ đẩy lõi van chuyển động lên trên. Khi lõi van nâng lên, miếng đệm được nâng lên, do đó kết nối cổng 1 và 2 đồng thời ngắt kết nối cổng 2 và 3. Lúc này, van ở trạng thái nạp và có thể điều khiển chuyển động của xi lanh. Khi bị cắt điện, lõi van sẽ dựa vào lực phục hồi của lò xo để trở về trạng thái ban đầu, tức là cổng 1 và 2 bị ngắt trong khi cổng 2 và 3 được nối. Bằng cách này, van ở trạng thái xả.
Hình 2 thể hiện mặt cắt ngang đơn giản của van điện từ tác động trực tiếp 5/2 (vị trí năm{4} hai chiều hai{5}} (loại thường mở) và nguyên lý làm việc của nó. Ở trạng thái ban đầu, không khí nạp vào qua cổng 1 và 2, còn khí thải được thực hiện qua cổng 4 và 5. Khi cuộn dây được cấp điện, lõi sắt tĩnh sẽ tạo ra lực điện từ. Lực này sẽ dẫn động van điều khiển hoạt động, sau đó khí nén sẽ đi vào piston điều khiển của van thông qua đường dẫn khí, làm cho piston khởi động. Ở giữa piston, bề mặt hình tròn bịt kín mở kênh. Lúc này, không khí đi vào từ cổng 1 và 4, còn không khí được thải ra từ cổng 2 và 3. Khi mất điện, van điều khiển sẽ dựa vào lực phục hồi của lò xo để trở về trạng thái ban đầu.
Tiếp theo chúng ta hãy nói về chức năng của van điện từ. Chức năng của van điện từ được biểu thị bằng hai số: M và N, được gọi là van điện từ vị trí M-đường dẫn N-. Trong số đó, "Vị trí N" biểu thị vị trí chuyển mạch của van điều khiển hướng, tức là trạng thái của van. Số lượng vị trí van là giá trị của N. Ví dụ: van hai vị trí có hai tùy chọn vị trí, nghĩa là nó có hai trạng thái. Van ba{8}}vị trí có ba tùy chọn vị trí, tức là có ba trạng thái khác nhau. "Đường dẫn M" cho biết số lượng giao diện bên ngoài của van, bao gồm cửa nạp khí, cửa thoát khí và cổng xả. Số lượng đường dẫn là giá trị của M.
Lấy van ở Hình 1 làm ví dụ. Đó là van điện từ tác động trực tiếp 3/2{4}}, tức là van có hai vị trí, đó là trạng thái "bật" và "tắt". Đồng thời, nó có ba cổng dẫn khí: 1 là cửa hút gió, 2 là cửa thoát gió và 3 là cổng xả khí.
Phân tích đường thở van điện từ
Ở đầu bên trái của sơ đồ đường dẫn khí, ký hiệu ở phía bên trái thường tượng trưng cho lò xo phía dưới. Phần giữa là thân van, chứa các thông tin quan trọng để xác định loại van điện từ. Ví dụ: hai hộp trong hình cho biết đây là van điện từ hai-vị trí A, trong khi A/B/R/P/S biểu thị các vị trí lỗ của thân van, tức là van năm-cách. Do đó, van điện từ này là van điện từ hai chiều-vị trí năm{6}}. Tương tự, chúng ta có thể xác định số bit và số lần đi qua van điện từ bằng số lỗ và số hộp.
Ngoài ra, sơ đồ đường dẫn khí còn thể hiện lộ trình vận hành đường dẫn khí khi tắt nguồn và khi bật nguồn. Khi cắt điện, đường dẫn khí đi vào qua lỗ P, tác động lên bộ truyền động qua lỗ A, sau đó đi qua lỗ B và cuối cùng được thải ra từ Lỗ S, trong khi Lỗ R vẫn đóng. Khi bật nguồn, đường dẫn khí cũng đi vào từ lỗ P, nhưng lúc này không khí được thải ra từ lỗ B, tác động lên bộ truyền động và đi qua lỗ A, cuối cùng được thải ra từ lỗ R, trong khi lỗ S đóng lại.
Phần bên phải của Hình 3 thường biểu thị các cuộn dây hoặc các van nhỏ thí điểm, đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của van điện từ. Bằng cách giải thích các sơ đồ đường thở này, chúng ta có thể hiểu sâu hơn về nguyên lý hoạt động của van điện từ và hoạt động của đường thở trong các điều kiện khác nhau.
Hình 4 cho thấy sơ đồ điện của van điện từ khí nén. Sơ đồ mạch điện là chìa khóa để hiểu nguyên lý làm việc của van điện từ. Nó mô tả rõ ràng cuộn dây, các tiếp điểm và mối quan hệ kết nối với các bộ phận điện khác. Bằng cách quan sát sơ đồ điện, chúng ta có thể hiểu sâu hơn về sự thay đổi điện của van điện từ khi bật và tắt nguồn, từ đó nắm bắt tốt hơn các đặc tính làm việc của nó.
IV. Lựa chọn Van điện từ điều khiển-đơn và Van điện từ điều khiển-đôi
Van điện từ điều khiển bằng điện duy nhất, đúng như tên gọi của nó, chỉ được trang bị một cuộn dây. Khi bật nguồn, nó sẽ thay đổi và chuyển sang trạng thái khác. Khi mất điện, nó sẽ tự động trở về trạng thái ban đầu. Nguyên lý làm việc này được thể hiện trong Hình 5. Ngược lại, van điện từ điều khiển-điện đôi được trang bị hai cuộn dây. Bằng cách kiểm soát trạng thái cấp điện của các cuộn dây khác nhau, nó có thể đạt được nhiều công tắc và vẫn duy trì trạng thái trước đó sau khi tắt nguồn-, như minh họa trong Hình 6. Sự khác biệt về chức năng này trực tiếp xác định các lựa chọn khác nhau của chúng trong các ứng dụng thực tế.
Hình 5 và 6 minh họa nguyên tắc hoạt động của van điện từ điều khiển-đơn và van điện từ điều khiển-kép. Khi thực hiện lựa chọn, nếu thời gian đảo chiều của van tương đối ngắn thì một-van điện từ điều khiển duy nhất là đủ để xử lý việc đó. Tuy nhiên, nếu thời gian chuyển mạch dài, cuộn dây cần được bật nguồn liên tục, điều này có thể khiến cuộn dây nóng lên do bật nguồn kéo dài-và thậm chí bị cháy. Để tránh tình trạng này, có thể chọn van điều khiển kép. Ngoài ra, nếu cần đạt được chức năng đặt lại sau khi mất điện, một van điện từ điều khiển bằng điện sẽ phù hợp hơn. Nếu cần duy trì trạng thái hiện tại sau khi mất điện thì van điện từ điều khiển kép sẽ phù hợp hơn.
V. Sự khác biệt và ứng dụng giữa Van điện từ-được vận hành thí điểm và Van điện từ tác động-trực tiếp
Trong số các loại van điện từ, hai loại phổ biến là-vận hành thí điểm và{1}}tác động trực tiếp. Chúng khác nhau về nguyên tắc làm việc và kịch bản ứng dụng. Van điện từ-hoạt động thí điểm chuyển đổi giữa khí và chất lỏng thông qua các lỗ thí điểm, trong khi van điện từ tác động trực tiếp-dựa vào chênh lệch áp suất để điều khiển chuyển động của lõi van. Sự khác biệt này làm cho hai loại van điện từ đều có những ưu điểm riêng khi đáp ứng các nhu cầu công nghiệp khác nhau. Ví dụ: trong một số tình huống yêu cầu phản ứng nhanh và độ nhạy cao, van điện từ tác động trực tiếp có thể phù hợp hơn. Trong những tình huống cần kiểm soát tốt và giảm mức tiêu thụ năng lượng, van điện từ vận hành thí điểm có thể có lợi thế hơn.
Thiết kế cấu trúc của van điện từ tác động trực tiếp-tương đối đơn giản. Nguyên lý làm việc của chúng chủ yếu dựa vào lực điện từ để trực tiếp điều khiển lõi van hoạt động. Tuy nhiên, thiết kế này cũng có hai nhược điểm lớn. Thứ nhất, do nhu cầu về lực điện từ lớn nên thể tích của cuộn dây nam châm điện cũng tăng theo, từ đó dẫn đến tiêu hao năng lượng cao hơn. Thứ hai, van điện từ tác động trực tiếp-tương đối nhạy cảm với áp suất. Khi áp suất vượt quá một giới hạn nhất định (thường là trên 0,7MPA), nhiều van điện từ tác động trực tiếp không thể hoạt động bình thường. Nguyên nhân chủ yếu là do áp suất quá cao tác động lên lõi van khiến lực điện từ điều khiển lõi van khó hoạt động. Mặc dù vậy, van điện từ tác động trực tiếp cũng có những ưu điểm: cấu trúc đơn giản, giá cả phải chăng và tỷ lệ hỏng hóc thấp.
2. Van điện từ vận hành thí điểm được thiết kế khéo léo. Nó từ bỏ truyền động lực điện từ truyền thống và thay vào đó sử dụng áp suất không khí để điều khiển lõi van hoạt động. Đối với van điện từ có đường kính trên 4 mm, chúng thường bao gồm van thí điểm và van chính. Sau khi bật van điện từ, van điều khiển sẽ mở và điều khiển việc mở van chính thông qua tín hiệu đầu ra. Điều đáng chú ý là van chính thực sự là một van điều khiển bằng khí nén và hoạt động của nó đòi hỏi sự phối hợp của hai nguồn không khí: một là nguồn không khí của van chính và một là nguồn không khí của van thí điểm.
Nếu nguồn không khí chính cung cấp không khí cho van điều khiển thông qua đường dẫn khí bên trong của van điện từ thì thiết kế này được gọi là kiểu điều khiển bên trong. Nếu van điều khiển được cung cấp khí từ một nguồn độc lập với nguồn khí chính thì nó được gọi là loại điều khiển bên ngoài. Trong Hình 8, bên trái hiển thị ví dụ về van điện từ-được vận hành bằng phi công bên ngoài, trong khi bên phải hiển thị ví dụ về van điện từ được vận hành-thí điểm bên trong.
Sự so sánh vật lý giữa dây dẫn bên trong và dây dẫn bên ngoài được thể hiện trong hình dưới đây.
Hai loại van điện từ này, cụ thể là trục điều khiển bên trong và trục điều khiển bên ngoài, thường cùng tồn tại trong cùng một hệ thống. Thông thường, chương trình thí điểm nội bộ đã có thể đáp ứng được nhu cầu của hầu hết các trường hợp. Tuy nhiên, trong một số trường hợp cụ thể, sự lãnh đạo từ bên ngoài càng trở nên cần thiết hơn. Ví dụ, khi áp suất nguồn khí của van chính dao động và có thể giảm xuống dưới 0,2MPA hoặc khi ở trong môi trường chân không, do nguồn khí của van thí điểm không thể chia sẻ với nguồn khí của van chính, nếu không có thể dẫn đến van chính không thể mở được. Tại thời điểm này, cần có nguồn không khí độc lập có áp suất vượt quá 0,2MPA để cấp nguồn cho van điều khiển. Ngoài ra, khi chênh lệch áp suất giữa đầu vào và đầu ra của không khí là đáng kể hoặc khi áp suất đường thở chính vượt quá 1MPA, phi công bên trong có thể cần tăng thể tích kết cấu bằng cách nạp trực tiếp áp suất đường thở lên lõi van. Phi công bên ngoài giải quyết vấn đề bằng cách đưa trực tiếp một kênh khí vào cổng thí điểm mà không cần thêm van điện từ; chỉ cần thêm một ống dẫn khí.
Tóm lại, van điện từ vận hành thí điểm có ưu điểm là đầu điện từ nhỏ và mức tiêu thụ điện năng thấp. Nó có tính thẩm mỹ cao và tiết kiệm không gian lắp đặt. Đồng thời, nó tạo ra ít nhiệt hơn và có tác dụng tiết kiệm năng lượng-đáng chú ý. Quan trọng hơn, do sinh nhiệt thấp nên cuộn dây ít bị cháy và có thể bật nguồn trong thời gian dài. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng thực tế. Ví dụ, công suất của một số van điện từ của SMC đã giảm xuống mức thấp nhất là 0,1W, cho phép cung cấp điện liên tục mà không bị quá nóng. Phạm vi công suất của van điện từ tác động trực tiếp-là 4-20W, với thời gian cấp nguồn tương đối ngắn-. Hơn nữa, việc bật nguồn thường xuyên có nguy cơ bị kiệt sức. Do đó, trong những tình huống cần cung cấp điện trong thời gian dài hoặc ở tần số cao, van điện từ vận hành thí điểm sẽ trở thành lựa chọn ưu tiên. Trên thực tế, hầu hết các van điện từ thông dụng hiện nay đều áp dụng thiết kế vận hành thí điểm. Trong số các loại van điện từ chỉ cho chất lỏng đi qua thì van tác động trực tiếp vẫn chiếm tỷ lệ nhất định. Điều này chủ yếu là do tạp chất trong chất lỏng có thể làm tắc nghẽn các kênh van thí điểm hẹp.
Tiếp theo, chúng ta sẽ đi sâu vào ba loại van điện từ ba chiều-năm{1}}vị trí: áp suất-kín ở giữa, thông gió-ở giữa và áp suất-trung bình, cũng như các ứng dụng của chúng. Loại van điện từ này sử dụng cuộn dây điều khiển điện kép. Khi cả hai nam châm điện đều không có điện, lõi van sẽ ở vị trí chính giữa dưới lực đẩy cân bằng của lò xo hai bên. Tại thời điểm này, trạng thái bật-tắt của đường dẫn khí trong van điện từ sẽ xác định loại đệm giữa - cụ thể, lỗ thông hơi ở giữa hoặc áp suất trung bình. Chúng tôi sẽ phân tích từng nguyên tắc và kịch bản ứng dụng của ba loại này.
1.Phân tích trạng thái phốt giữa: Khi cả hai cuộn dây đều không được cấp điện, áp suất ở khoang trước và sau của xi lanh sẽ duy trì ở trạng thái sau khi cuộn dây-ngắt điện và sẽ không thay đổi. Đồng thời, cả hai cửa hút gió và xả khí đều được đóng lại. Tuy nhiên, việc duy trì trạng thái này trong thời gian dài có thể dần dần khiến nó mất thăng bằng do những rò rỉ nhỏ. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trong (Hình 10).
Do khả năng nén của khí và thực tế là các bộ phận khí nén như xi lanh, van và các mối nối ống dẫn khí không thể hoàn toàn không bị rò rỉ- nên xi lanh không thể được duy trì ổn định ở vị trí dừng trung gian trong thời gian dài. Trạng thái cân bằng này sẽ mất dần theo thời gian, dẫn đến độ chính xác định vị của xi lanh giảm. Tuy nhiên, đối với những điều kiện làm việc mà độ chính xác định vị của xi lanh không được yêu cầu cao và thời gian dừng tương đối ngắn, xi lanh bịt kín ở giữa vẫn có thể được xem xét sử dụng.
2. Phương pháp xả trung bình: Khi cả hai cuộn dây đều không được cấp điện, không có áp suất ở buồng trước và buồng sau của xi lanh, đồng thời cổng nạp khí vẫn đóng. Lúc này, áp suất ở buồng trước và buồng sau của xi lanh sẽ được thải ra qua hai cửa xả của van điện từ. Nguyên lý làm việc của nó có thể được tham khảo trong Hình 11.
So với van-bịt ở giữa, thiết kế mạch xả-ở giữa có thể mang lại thời gian-dừng giữa lâu hơn. Trong trường hợp hình trụ cần di chuyển theo phương thẳng đứng, thời gian-dừng giữa tương đối dài nhưng yêu cầu về độ chính xác định vị không quá khắt khe, mạch nhả-giữa là một lựa chọn đáng cân nhắc.
3. Trạng thái áp suất trung bình: Khi cả hai cuộn dây đều không được cấp điện, áp suất ở khoang trước và sau của xi lanh sẽ duy trì ở trạng thái khi cuộn dây trước-ngắt điện và áp suất liên tục sẽ được áp dụng để đảm bảo rằng áp suất ở khoang trước và sau của xi lanh phù hợp với áp suất ở đầu nạp. Lúc này cửa hút gió mở còn cửa xả đóng lại. Nguyên lý làm việc được thể hiện trên Hình 12.
Nếu xi lanh không chịu tác dụng của tải trọng dọc trục bên ngoài, piston sẽ vẫn ở trạng thái cân bằng và do đó giữ chính xác ở bất kỳ vị trí nào trong suốt hành trình. Đặc điểm của mạch này yêu cầu xi lanh phải được lắp đặt theo chiều ngang. Do đó, trong điều kiện làm việc cần có-độ chính xác cao và không có lực tải hướng trục bên ngoài, nên sử dụng van áp suất trung bình-kết hợp với xi lanh thanh piston đôi.
