В чем разница между 2-ходовым и 3-ходовым гидравлическим клапаном?

Выбор правильного гидравлического клапана может улучшить или разрушить вашу гидроэнергетическую систему. Если вы когда-нибудь стояли перед каталогом клапанов и задавались вопросом, нужен ли вам двухходовой или трехходовой клапан, вы не одиноки. Эти два типа клапанов служат принципиально разным целям в гидравлических схемах, и понимание их различий сэкономит вам время, деньги и предотвратит потенциальные сбои системы.

Основной ответ прост: двухходовой клапан имеет два порта и контролирует, течет или останавливается жидкость (функция включения/выключения), а трехходовой клапан имеет три порта и контролирует поток жидкости (функция направления). Но за этим простым различием скрываются важные инженерные детали, определяющие, какой клапан подходит для вашего применения.

Понимание гидрораспределителей в гидравлических системах

Гидрораспределители действуют как логические контроллеры гидравлических систем. Они определяют, когда гидравлическое масло начинает двигаться, когда оно останавливается и какой путь оно проходит по контуру. Инженеры часто называют эти компоненты переключающими клапанами, поскольку они изменяют состояние путей потока жидкости.

В гидравлической отрасли используется стандартизированная система наименований, основанная на стандартах ISO. Вы увидите клапаны, помеченные в формате X/Y, где X представляет количество рабочих портов, а Y — количество позиций. Например, клапан 4/3 имеет четыре рабочих канала и три положения. Эта система обозначений исключает порты управления, такие как соединения пилотного сигнала, и учитывает только порты, которые обрабатывают основной поток жидкости.

Число позиций (Y) определяет, сколько стабильных схем подключения потока может обеспечить клапан. Простой 2/2-клапан обеспечивает базовое управление включением/выключением. Клапан 3/2 обеспечивает возможность отвода жидкости. Широко используемый клапан 4/3 управляет цилиндрами двойного действия с выделенным центральным положением. Переходя от 2/2 к 3/2 и 4/3, вы добавляете уровни сложности управления, соответствующие все более сложным системным требованиям.

2-ходовые гидравлические клапаны: изоляция и линейное регулирование потока

Двухходовой клапан работает как простой жидкостный затвор. Представьте себе дверь, которая открывается или закрывается, пропуская или блокируя поток по одному пути. Этот клапан имеет одно входное и одно выходное соединение, что создает прямой путь потока в открытом состоянии и полную блокировку в закрытом состоянии.

В большинстве двухходовых клапанов для электромеханического управления используется электромагнитное управление. Подвижный элемент (обычно тарельчатый или золотник) переключается между двумя положениями: полностью открытым или полностью закрытым. В базовой работе двухходового клапана не существует золотой середины.

Состояние двухходового клапана по умолчанию имеет большое значение для безопасности системы. Нормально закрытые (НЗ) клапаны блокируют поток при обесточении, поэтому для открытия требуется питание. Эта конфигурация доминирует в приложениях изоляции, критически важных для безопасности. В случае отключения электроэнергии клапан NC автоматически закрывается, предотвращая неконтролируемый поток жидкости или неожиданное движение привода. Эта характеристика отказоустойчивости делает клапаны NC по умолчанию выбором для точек изоляции.

Нормально открытые (НО) клапаны работают в противоположном направлении, пропуская поток при обесточивании и требуя напряжения для закрытия. Инженеры реже выбирают клапаны NO, обычно в тех случаях, когда поддержание потока во время потери мощности является более безопасным условием.

Основные области применения двухходовых клапанов включают функции изоляции, сброса, дозирования и смешивания. Особым случаем является обратный клапан, который по сути представляет собой 2/2-клапан, пассивно управляемый давлением в линии. Обратные клапаны обеспечивают свободный поток в одном направлении, блокируя обратный поток, защищая насосы и поддерживая давление в определенных ветвях контура.

При выборе двухходового клапана инженеры ориентируются на максимальную скорость потока (измеряется в галлонах в минуту или литрах в минуту) и максимальное рабочее давление (измеряется в фунтах на квадратный дюйм или бар). Поскольку эти клапаны часто обеспечивают изоляцию при высоких скоростях потока, критически важно минимизировать падение давления на открытом клапане. Это требование заставляет многие двухходовые конструкции использовать тарельчатую конструкцию, которая обеспечивает наибольшую площадь внутреннего потока с минимальными ограничениями.

Однако двухходовые клапаны имеют неотъемлемое ограничение: они не могут обеспечить возврат жидкости в резервуар без внешней помощи. Если вы используете двухходовой клапан для управления цилиндром одностороннего действия, вам необходимо добавить отдельный предохранительный или сливной клапан для выхлопа жидкости. Это ограничение делает трехходовой клапан более интегрированным решением для управления приводом.

3-ходовые гидравлические клапаны: контроль направления и управление приводом

Добавление третьего порта превращает клапан из простых ворот в регулятор дорожного движения. Трехходовой клапан имеет три специализированных порта: давление (P), рабочий (A) и резервуар (T). Соглашение об наименовании ISO определяет эти клапаны как 3/2 (три порта, два положения), что означает, что клапан обеспечивает две различные схемы подключения потока.

Основное преимущество трехходовых клапанов заключается в управлении направлением жидкости. Эти клапаны выполняют три важные функции: перенаправление (направление одного входа к одному из двух пунктов назначения), выбор (выбор между двумя входами под давлением для подачи в единую последующую систему) и смешивание (объединение двух входов жидкости в один объединенный выходной поток).

Наиболее распространенным применением 3/2-распределителей является управление гидроцилиндрами одностороннего действия. Эти цилиндры выдвигаются в одном направлении за счет гидравлического давления и используют внутреннюю пружину или внешнюю нагрузку для втягивания. Трехходовой клапан координирует оба действия через свои два положения.

В выдвинутом положении золотник клапана смещается, соединяя P с A, одновременно изолируя T. В камере цилиндра создается давление, преодолевающее силу пружины или нагрузки и перемещающее поршень наружу. Когда клапан возвращается в положение сброса (обычно с пружинным возвратом), он соединяет A с T, изолируя P. Давление в камере цилиндра сбрасывается через порт T в резервуар, позволяя пружине или потенциальной энергии нагрузки толкать поршень назад, вытесняя жидкость в резервуар.

Это интегрированное управление притоком и выпуском — это то, что отличает трехходовой клапан от двух отдельных последовательно соединенных двухходовых клапанов. Надежная активация пути А-Т в положении сброса клапана является решающим функциональным требованием. Без этого выпускного тракта механизм втягивания не сможет функционировать независимо от силы пружины. Трехходовой клапан обеспечивает безопасное и быстрое возвращение привода в исходное положение при любых условиях.

Хотя в гидрораспределителях высокого давления обычно используется золотниковая конструкция, трехходовая функциональность также может быть достигнута за счет поворотных конструкций с L-образным или Т-образным отверстием. Эти конструкции специально подходят для управления перемешиванием и отклонением потоков жидкости.

С точки зрения системы, трехходовой клапан объединяет функции двух отдельных 2/2-запорных клапанов в один компонент, управляя подачей и возвратом жидкости посредством единого управляющего сигнала. Такая структурная интеграция повышает экономическую эффективность и упрощает водопровод по сравнению с использованием нескольких двухходовых клапанов для отвода или управления одностороннего действия.

Прямое сравнение: ключевые различия между 2-ходовыми и 3-ходовыми клапанами

Различие между этими типами клапанов простирается не только на количество портов, но и на фундаментальные различия в топологии управления и возможностях управления жидкостью.

Специальный порт резервуара (Т) на трехходовых клапанах необходим для необходимой декомпрессии жидкости. Без этого обратного пути цилиндры с пружинным возвратом не могут работать. Между тем, двухходовые клапаны превосходно выполняют свою более простую роль: создают или устраняют путь потока с минимальной потерей давления и максимальной герметичностью.

Для применений, требующих перенаправления жидкости, таких как байпасные контуры или управление приводом, один трехходовой клапан обычно обеспечивает более высокую экономию и экономию места по сравнению с использованием двух или более двухходовых запорных клапанов. Некоторые многофункциональные трехходовые клапаны могут даже временно работать как двухходовые клапаны, закрывая неиспользуемый третий порт, что упрощает учет запасных частей и логистику технического обслуживания.

Стандарт ISO 1219-1 содержит универсальные символы для гидроэнергетических систем. Графические символы сразу сообщают о функциональных различиях. Символ 2/2 показывает либо прямую линию (разомкнутую), либо заблокированную линию (замкнутую). Символ 3/2 должен отображать две полные схемы внутренних путей потока в двух полях положения, подтверждая его возможность перенаправления с видимыми путями, такими как P→A и A→T.

Независимо от того, 2/2 или 3/2, символы привода (пружинный возврат, управление соленоидом, управление рычагом) прикреплены к боковым сторонам позиционных коробок, чтобы указать метод активации. Для трехходовых клапанов в гидроэнергетике обязательное обозначение портов P, A и T. Изменение местами соединений P и T может привести к повреждению насоса или созданию избыточного давления в резервуаре, что подчеркивает критическую направленность трехходовой конструкции. Напротив, поскольку двухходовые клапаны выполняют изоляцию, их порты P₁ и P₂ обычно универсальны, и реверс потока обычно допустим или не имеет отношения к функции отключения.

Внутренние конструкции клапана: конструкция тарельчатого клапана или золотника

Физическая конструкция клапана (тарельчатый или золотниковый) определяет его рабочие характеристики, включая утечку, скорость и способность удерживать давление. Различные структуры лучше подходят для двусторонних или трехсторонних функций.

В тарельчатых клапанах уплотнительный элемент (диск или конус) плотно прижимается к седлу клапана, образуя почти идеальный барьер. Такая конструкция обеспечивает превосходную герметичность, что делает тарельчатые клапаны идеальными для применений, требующих удержания давления или абсолютной изоляции. Уровень внутренних утечек в тарельчатых клапанах чрезвычайно низок. Короткий ход и минимальная закупорка жидкости обеспечивают быстрое время отклика тарельчатых клапанов и способность работать с высокими скоростями потока.

Конструкции тарельчатых клапанов обычно обеспечивают закрытый переход, что означает, что во время переключения не происходит мгновенного взаимодействия или одновременного открытия между путями жидкости. Эта характеристика имеет решающее значение для приложений, требующих точного управления. Однако тарельчатые клапаны обычно не сбалансированы. Давление на входе способствует уплотнению, но если давление питания снято, давление на выходе может привести к открытию клапана. Это делает тарельчатые клапаны непригодными для применений, требующих длительного поддержания давления на выходе. Кроме того, поскольку тарельчатым клапанам приходится преодолевать напряжение пружины и давление жидкости, для начала движения обычно требуется более высокая сила срабатывания.

Золотниковые клапаны состоят из вала с несколькими уплотнительными площадками (поршнями), которые перемещаются в осевом направлении внутри корпуса клапана. Уплотнение зависит от точных производственных допусков и динамических уплотнений, таких как уплотнительные кольца. Конструкция катушки по своей сути предназначена для одновременного управления несколькими соединениями, что делает ее структурным требованием для реализации трехходовых (P, A, T) и более сложных системных функций 4/3 или 5/2.

Золотниковые клапаны обеспечивают стабильное время срабатывания и лучше подходят, чем тарельчатые клапаны, для поддержания давления на выходе. Однако из-за необходимости одновременного управления соединениями и изоляцией между несколькими портами золотниковые клапаны имеют внутреннюю утечку на золотниковых площадках (небольшое количество жидкости проходит между плунжером золотника и отверстием корпуса). По сравнению с тарельчатыми клапанами с принудительным уплотнением, золотниковые клапаны обычно имеют более высокую скорость внутренних утечек.

Более высокая скорость внутренней утечки золотниковых клапанов означает, что насос должен работать непрерывно, чтобы поддерживать давление, тратя энергию и выделяя избыточное тепло в резервуаре. Для простых применений, требующих длительной изоляции (двухходовая функция), превосходное герметичное закрытие тарельчатых клапанов является существенным преимуществом в области энергоэффективности. Тарельчатые клапаны требуют более высокой силы срабатывания для преодоления перепада давления, что способствует уплотнению, в то время как конструкции золотников, используемые в 3-ходовых и 4/3-системах, обычно включают функции балансировки давления, чтобы минимизировать необходимое усилие переключения, обеспечивая стабильную работу независимо от колебаний давления в системе.

Низкая утечка имеет решающее значение для изолирующей функции двухходовых клапанов. Тарельчатые клапаны лучше подходят для внезапного и критического отключения. Трехходовая система требует кратковременного переходного состояния для управления перекачкой жидкости между портами, что естественно предусмотрено в конструкциях золотников. Высокая сила срабатывания подходит для выделенной двусторонней изоляции, но не подходит для сложного управления направлением. Конструкция катушки позволяет выравнивать три независимых порта (P, A, T) в двух состояниях внутри одного элемента.

Выбор подходящего клапана: рекомендации по применению

Выбор оптимального клапана требует оценки других факторов, помимо количества портов и позиций. Инженеры должны оценить максимальную скорость потока, максимальное рабочее давление, требования к пути прохождения жидкости и метод приведения в действие.

Обратите внимание на ограничения по давлению, которые часто различаются в зависимости от порта. Например, номинальное давление обратного порта (T) обычно намного ниже, чем у рабочих (A/B) или напорных (P) портов. В спецификации одного производителя максимальное рабочее давление порта P составляет 3625 фунтов на квадратный дюйм, а максимальное давление порта T составляет всего 725 фунтов на квадратный дюйм. Игнорирование этих различий может привести к сбою системы или созданию опасных условий.

Правильная интеграция системы зависит от стандартизированных соединений портов, таких как порты с уплотнительными кольцами SAE, которые обеспечивают надежные герметичные уплотнения и предотвращают засорение. Последовательно используйте стандартную номенклатуру портов: P для подачи давления, T для возврата из резервуара и A/B для рабочих портов, подключаемых к приводам.

Выбирайте двухходовые клапаны (предпочтительно тарельчатой ​​конструкции) для критических точек изоляции, функций защитного отключения или когда чрезвычайно низкая внутренняя утечка и быстрое время срабатывания являются непреложными требованиями. Двухходовой клапан является основным элементом линейного регулирования расхода, преимущество которого заключается в простоте, надежности и прочном уплотнении.

Выбирайте трехходовые клапаны (предпочтительно золотниковой конструкции) для управления гидравлическими приводами одностороннего действия, отклонения путей жидкости или систем, требующих выбора/смешивания входных потоков. Встроенная функция управления P-A-T является основным требованием для управления приводом и обеспечивает компактное, экономичное и функционально законченное решение.

Роли клапанов 2/2 и 3/2 в гидравлических системах различны и невзаимозаменяемы. Разница между ними заключается не просто в одном дополнительном порте, а скорее в системной логике и сложности управления потоками, с которыми они справляются. Понимание этих фундаментальных различий позволит вам выбрать правильный клапан для вашего применения, избежав дорогостоящих изменений конструкции и проблем с производительностью системы.