Chọn bộ truyền động khí nén đúng cỡ nghĩa là tìm actuator có mô-men đầu ra, tại áp khí thấp nhất thực tế ở van, lớn hơn mô-men cần để vận hành van nhân hệ số an toàn. Không chọn theo đường kính DN, cũng không chọn theo áp danh định của máy nén.
Bài này chia việc chọn thành 6 bước: thu thập dữ liệu, lấy mô-men van, nhân hệ số an toàn, đọc bảng actuator, kiểm tra giao diện lắp và cơ cấu, rồi kiểm tra vật liệu, tiêu thụ khí và tốc độ; kèm ví dụ giả định để làm theo.
Đây là bài chuyên sâu về cỡ actuator. Quy trình chọn cả bộ van nằm ở bài lựa chọn van bướm khí nén, còn bức tranh các loại van điều khiển nằm ở bài các dòng van điều khiển khí nén.
Bước 1: Thu thập dữ liệu đầu vào trước khi chọn bộ truyền động khí nén
Thiếu một trong các dữ liệu sau thì phép tính chỉ là đoán. Khi chọn bộ truyền động khí nén, hãy thu thập đủ rồi mới mở bảng mô-men của actuator.
- Loại van và kích thước: van bướm, van bi, van cầu; DN và PN.
- Chênh áp lớn nhất khi van đóng (ΔP), vì mô-men van tăng theo ΔP.
- Môi chất và nhiệt độ: ảnh hưởng ma sát gioăng, độ nhớt, cặn bám.
- Áp khí cấp thấp nhất thực tế tại van, không phải áp trên đồng hồ máy nén.
- Kiểu tác động: đơn hay kép, và vị trí an toàn khi mất khí.
- Tốc độ đóng mở yêu cầu và số chu kỳ mỗi ngày.
- Môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, hóa chất ăn mòn, vùng cháy nổ.
Hai lựa chọn tác động đơn và kép làm thay đổi hẳn cách tính, xem bài tác động đơn và tác động kép nếu chưa phân biệt được.
Bước 2: Lấy mô-men của van từ catalogue, không ước lượng theo DN
Mô-men xoắn (torque) là lực quay tính bằng N·m cần để xoay trục van. Một van có ba giá trị khác nhau trong một chu kỳ, và chọn bộ truyền động khí nén phải đáp ứng giá trị lớn nhất trong ba.
- Mô-men khởi động (breakaway): để mở van từ vị trí đóng kín. Thường lớn nhất, vì gioăng bám vào đĩa hoặc bi sau thời gian đứng yên.
- Mô-men chạy (running): để giữ chuyển động giữa hành trình, chịu tác động của dòng chảy.
- Mô-men ngồi kín (seating): để ép đĩa hoặc bi vào gioăng cho tới khi kín hẳn.
Giá trị phải lấy từ bảng mô-men do hãng van công bố, theo đúng DN, vật liệu gioăng và ΔP. Hai van cùng DN nhưng khác gioăng (PTFE so với EPDM) có mô-men khác nhau đáng kể, vì PTFE cứng, ít đàn hồi nên cần lực ép lớn hơn để kín, dù bản thân PTFE có hệ số ma sát thấp. Với van bi, xem thêm bài cách tính mô men xoắn van bi.
Bước 3: Nhân hệ số an toàn khi chọn bộ truyền động khí nén
Mô-men trong catalogue thường là giá trị đo trong điều kiện thử của hãng. Ngoài hiện trường, mô-men thực tế cao hơn vì gioăng lão hóa, cặn bám, nhiệt độ thấp làm cao su cứng, van đứng yên lâu và áp khí dao động. Hệ số an toàn bù cho các sai lệch này.
| Điều kiện | Hệ số tham khảo | Lý do |
|---|---|---|
| Nước sạch, vận hành đều | 1,25 đến 1,3 | Ma sát ổn định, ít cặn |
| Nước thải, bùn, môi chất có hạt | 1,5 trở lên | Cặn bám làm tăng ma sát và mô-men khởi động |
| Khí khô, không bôi trơn | 1,5 trở lên | Không có màng chất lỏng bôi trơn gioăng |
| Van ít đóng mở, đứng yên nhiều ngày | 1,5 trở lên | Gioăng dính vào đĩa, khởi động nặng |
| Nhiệt độ thấp | 1,5 trở lên | Cao su cứng lại, mô-men tăng |
Các hệ số trên mang tính tham khảo cho bước chọn bộ truyền động khí nén ban đầu. Nếu hãng van hoặc hãng actuator đưa hệ số riêng thì dùng hệ số của hãng.
Bước 4: Đọc bảng mô-men của actuator tại áp khí thấp nhất
Bảng mô-men của actuator tác động kép thường liệt kê giá trị tại các mức áp khí 3, 4, 5, 6 bar. Mô-men tác động kép tỷ lệ thuận với áp suất và diện tích piston, nên giữa hai mức áp có thể nội suy tuyến tính. Ví dụ ở 4,5 bar lấy trung bình giá trị 4 bar và 5 bar.
Khi chọn bộ truyền động khí nén loại tác động đơn, bảng phức tạp hơn vì lò xo thay đổi lực trong hành trình. Bảng thường có bốn giá trị: mô-men khí ở đầu và cuối hành trình, mô-men lò xo ở đầu và cuối hành trình, tùy số lượng lò xo.
Phải kiểm tra cả hai chiều: mô-men lò xo cuối hành trình phải đủ để ngồi kín van, và mô-men khí ở đầu và cuối hành trình khí phải đủ cho mô-men van tương ứng.
Phần lớn catalogue ghi mô-men khí là giá trị thực đã trừ lực lò xo; nếu bảng ghi mô-men khí chưa trừ lò xo thì phải tự trừ trước khi so.
Ví dụ tính chọn bộ truyền động khí nén cho van bướm DN150
Toàn bộ số liệu bên dưới là giả định để minh họa. Khi tính thật phải thay bằng số liệu của hãng van và hãng actuator.
- Dữ liệu: van bướm DN150, nước sạch, mô-men van 120 N·m (giả định), vận hành đều nên hệ số an toàn 1,3.
- Mô-men yêu cầu: 120 × 1,3 = 156 N·m.
- Áp khí thấp nhất tại van: 4,5 bar (máy nén 6 bar nhưng tổn thất đường ống và thiết bị dùng chung làm giảm).
- Bảng của actuator tác động kép (giả định): 140 N·m ở 4 bar, 175 N·m ở 5 bar. Nội suy ở 4,5 bar: (140 + 175) / 2 = 157,5 N·m.
- Kết quả: 157,5 lớn hơn 156 nên đạt, nhưng biên rất mỏng. Nếu áp khí có thể tụt xuống 4 bar thì chỉ còn 140 N·m, thiếu. Khi áp dao động nên chọn cỡ lớn hơn một bậc, hoặc nâng áp cấp.
Với tác động đơn thường đóng (lò xo đóng van), giả định bảng hãng ở 4,5 bar cho mô-men khí thực (đã trừ lò xo) 190 N·m ở đầu hành trình khí và 125 N·m ở cuối hành trình khí; lò xo cho 230 N·m ở đầu hành trình lò xo và 175 N·m ở cuối hành trình lò xo. Mô-men van ở vị trí gần mở hết là 60 N·m (giả định).
- Chiều mở bằng khí: đầu hành trình cần thắng mô-men khởi động 156 N·m, khí cho 190 N·m nên đạt; cuối hành trình cần 60 × 1,3 = 78 N·m, khí cho 125 N·m nên đạt.
- Chiều đóng bằng lò xo: cuối hành trình là lúc ngồi kín, cần 156 N·m, lò xo cho 175 N·m nên đạt nhưng biên mỏng.
Hai kết quả cho thấy cỡ đạt trên giấy chưa đủ. Cần chừa biên cho thời điểm áp khí xuống thấp nhất và cho sai lệch khi lò xo lão hóa.
Bước 5: Kiểm tra giao diện lắp và kiểu cơ cấu
Mặt bích ISO 5211, kiểu trục và NAMUR
Actuator phải khớp cơ khí với van. Chuẩn ISO 5211 quy định mặt bích lắp (F03, F05, F07, F10, F12, F14…) và kích thước trục. Số F của van và của actuator phải trùng, hoặc dùng bích chuyển. Bỏ qua mặt bích ở bước chọn bộ truyền động khí nén là lỗi hay gặp khiến phải đổi hàng. Mỗi cỡ van thường đi với một hoặc hai cỡ F, tra theo catalogue.
Kiểu trục ra của actuator thường là lỗ vuông hoặc lỗ có rãnh then, cần khớp với trục van (vuông, dẹt, có then) về kích thước. Nếu lệch thì dùng khớp chuyển (adapter); khớp có độ rơ lớn làm van lắc ở cuối hành trình, sai vị trí và mòn nhanh. Phần phụ kiện như van điện từ và công tắc hành trình lắp theo chuẩn NAMUR VDI/VDE 3845. Chi tiết xem bài phụ kiện van khí nén.
Thanh răng–bánh răng hay scotch yoke
Cơ cấu là một tiêu chí khi chọn bộ truyền động khí nén cho van DN lớn. Cơ cấu thanh răng–bánh răng (rack and pinion) dùng hai piston đẩy thanh răng quay bánh răng, cho mô-men đầu ra gần như đều suốt hành trình. Cơ cấu này phổ biến, gọn, hợp van bướm và van bi cỡ nhỏ đến trung bình.
Scotch yoke dùng chốt trượt trong rãnh, cho mô-men cao ở hai đầu hành trình và thấp ở giữa. Đặc tính này hợp van cần mô-men khởi động và ngồi kín lớn, như van bi cỡ lớn, van bướm DN lớn áp cao. Đổi lại thân cồng kềnh và giá cao hơn.
Bước 6: Kiểm tra vật liệu, môi trường, tiêu thụ khí và tốc độ
Vật liệu và môi trường làm việc
Môi trường cũng ảnh hưởng đến việc chọn bộ truyền động khí nén. Thân actuator phổ biến bằng nhôm anod hóa, phù hợp trong nhà. Ngoài trời, ven biển hoặc có hơi hóa chất nên chọn thân nhôm sơn epoxy hoặc inox, vì lớp anod mỏng bị ăn mòn khi tiếp xúc muối và axit.
Gioăng O-ring tiêu chuẩn thường là NBR, dải nhiệt khoảng -20 đến 80 °C (tham khảo). Nhiệt độ cao hơn cần Viton, nhiệt độ rất thấp cần silicone hoặc loại chuyên dụng. Cấp bảo vệ IP65 hoặc IP67 áp dụng cho phụ kiện điện; vùng cháy nổ cần phụ kiện đạt chứng nhận Ex phù hợp với cấp vùng.
Tiêu thụ khí và tốc độ đóng mở khi chọn bộ truyền động khí nén
Lượng khí mỗi chu kỳ bằng thể tích buồng cần nạp nhân tỷ số áp tuyệt đối. Giả định hai buồng của actuator tổng 1,5 lít, áp cấp 5 bar (đo), áp tuyệt đối khoảng 6 bar: mỗi chu kỳ đóng mở dùng khoảng 1,5 × 6 = 9 lít khí tự do. Một nghìn chu kỳ dùng khoảng 9 m³. Tác động đơn chỉ nạp khí ở một chiều nhưng actuator thường lớn hơn.
Tốc độ phụ thuộc thể tích buồng, đường kính ống khí và Cv của van điện từ. Ống nhỏ hoặc van điện từ nhỏ làm actuator lớn chạy chậm. Muốn đóng chậm để tránh búa nước thì dùng van tiết lưu trên đường xả. Muốn tính lưu lượng khí cần cấp, xem bài cách tính lưu lượng khí nén. Về nguồn khí, xem bài hệ thống khí nén, và về giữ áp ổn định tại van xem van điều áp khí nén.
Bảng tra nhanh khi chọn bộ truyền động khí nén theo tình huống
Bảng dưới gom các tình huống hiện trường hay gặp và hướng xử lý (tham khảo). Dùng bảng để kiểm tra lại kết quả sau khi đã tính, không thay cho phép tính mô-men.
| Tình huống | Nên chọn | Lý do |
|---|---|---|
| Đóng cắt thông thường, chấp nhận giữ nguyên vị trí khi mất khí | Tác động kép | Gọn hơn, cùng cỡ cho mô-men lớn hơn vì không tốn lực lò xo |
| Bắt buộc đóng hoặc mở khi mất khí | Tác động đơn | Lò xo tự đưa van về vị trí an toàn |
| Áp khí cấp dao động, có lúc tụt thấp | Nâng một cỡ hoặc nâng áp cấp | Mô-men khí tỷ lệ với áp suất, nên chọn bộ truyền động khí nén theo áp thấp nhất |
| Van DN lớn, áp cao, khởi động nặng | Cân nhắc scotch yoke | Mô-men cao ở hai đầu hành trình |
| Van ít chạy, đứng yên nhiều ngày | Tăng hệ số an toàn | Gioăng dính, mô-men khởi động tăng |
Checklist trước khi chốt đơn chọn bộ truyền động khí nén
- Trước khi chọn bộ truyền động khí nén, mô-men van phải lấy từ bảng hãng, đúng DN, gioăng và ΔP, đã nhân hệ số an toàn.
- Mô-men actuator đọc tại áp khí thấp nhất thực tế ở van, không phải áp máy nén.
- Với tác động đơn, đã kiểm tra mô-men lò xo ở cuối hành trình đóng.
- Mặt bích ISO 5211 và kiểu trục khớp với van, cổng khí và NAMUR khớp với van điện từ.
- Vật liệu thân, gioăng và cấp bảo vệ phù hợp môi trường; khí tiêu thụ và tốc độ nằm trong khả năng của nguồn khí.
Một actuator chọn đúng theo cả năm điểm này vận hành ổn định nhiều năm, còn chọn bộ truyền động khí nén chỉ theo mô-men danh nghĩa thường phải đổi sau vài tháng khi áp khí tụt hoặc gioăng lão hóa.
Sai lầm thường gặp khi chọn bộ truyền động khí nén
- Chọn bộ truyền động khí nén theo DN: hai van cùng DN có thể chênh mô-men nhiều lần do khác gioăng, khác ΔP.
- Tính theo áp danh định của máy nén thay vì áp thấp nhất tại van.
- Quên kiểm tra mô-men lò xo cuối hành trình ở tác động đơn, dẫn tới van không ngồi kín khi mất khí.
- Bỏ qua hệ số an toàn cho van ít vận hành hoặc nhiệt độ thấp.
- Chọn quá lớn cho chắc. Actuator dư mô-men có thể làm xoắn hoặc gãy trục van, bẻ cong đĩa, và tiêu thụ nhiều khí hơn.
- Không đối chiếu ISO 5211 và kiểu trục trước khi đặt hàng.
Sau khi chọn bộ truyền động khí nén xong, bước tiếp theo là lắp đúng quy trình, xem bài lắp đặt. Các cỡ bộ truyền động rời có sẵn tại trang bộ truyền động khí nén (sản phẩm).
Gửi mô-men van, áp khí thấp nhất và loại tác động cho bộ phận kỹ thuật để được kiểm tra phép tính trước khi đặt hàng.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp về chọn bộ truyền động khí nén
Chọn bộ truyền động khí nén dựa vào thông số nào là chính?
Dựa vào mô-men xoắn của van tại đúng DN, gioăng và chênh áp, nhân hệ số an toàn, rồi so với mô-men đầu ra của actuator tại áp khí thấp nhất thực tế ở van. Ngoài ra cần khớp mặt bích ISO 5211, kiểu trục và vị trí an toàn khi mất khí. Không chọn theo DN.
Hệ số an toàn khi chọn bộ truyền động khí nén là bao nhiêu?
Tham khảo 1,25 đến 1,3 cho nước sạch vận hành đều, từ 1,5 trở lên cho bùn, chất rắn, khí khô, nhiệt độ thấp hoặc van lâu ngày mới đóng mở. Lý do là mô-men khởi động tăng khi gioăng bám đĩa, cặn bám hoặc cao su cứng lại. Nếu hãng có hệ số riêng thì dùng của hãng.
Áp khí nào dùng để tra bảng mô-men khi chọn bộ truyền động khí nén?
Dùng áp khí thấp nhất có thể xảy ra tại van, không dùng áp danh định của máy nén. Tổn thất đường ống, lọc, điều áp và nhiều thiết bị dùng chung làm áp tại van thấp hơn. Mô-men tác động kép tỷ lệ với áp, nên áp thấp hơn 10% thì mô-men cũng giảm khoảng 10%.
Tác động đơn có phải tính khác tác động kép không?
Có. Tác động kép chỉ cần so mô-men khí với mô-men van nhân hệ số an toàn. Tác động đơn phải kiểm tra hai chiều: lò xo ở cuối hành trình phải đủ ngồi kín van, và mô-men khí (đã trừ lực lò xo) phải đủ cho mô-men van ở chiều ngược lại. Bảng của hãng thường cho cả bốn giá trị.
Chọn bộ truyền động lớn hơn có hại gì không?
Có. Actuator thừa mô-men có thể xoắn hoặc gãy trục van, bẻ đĩa, mòn gioăng nhanh hơn và tiêu thụ nhiều khí hơn. Chỉ nên tăng một cỡ khi áp khí dao động hoặc môi chất có cặn, và nên giữ biên vừa đủ thay vì chọn dư nhiều cỡ.
