Cách tính mô men xoắn của van bi

Mô men xoắn của van bi là gì?

Mô men xoắn của van bi (torque, đơn vị N·m) là lực tác động lên trục (stem) để làm quay viên bi bên trong thân van, giúp chuyển đổi trạng thái đóng hoặc mở dòng chảy.

Mô men này sinh ra chủ yếu để thắng được lực ma sát cơ học giữa các bộ phận (viên bi, gioăng, trục) và áp lực nước đẩy dồn lên bề mặt viên bi. Nếu bộ điều khiển điện/khí nén không cung cấp đủ lực mô men xoắn này, van sẽ bị kẹt cứng. Biết cách tính mô men xoắn van bi giúp bạn chọn đúng tay gạt, hộp số, bộ điều khiển khí nén hoặc điện.

Chọn thiếu mô men, van sẽ kẹt khi áp suất cao hoặc sau thời gian dài không vận hành. Chọn quá lớn, bạn tốn chi phí và có thể làm hỏng vòng làm kín bi mềm hoặc gãy trục van.

Mô men lớn nhất thường xuất hiện ở thời điểm bắt đầu mở từ vị trí đóng, gọi là mô men phá vỡ (BTO – Break To Open). Đây là giá trị chính dùng để tính toán và chọn bộ truyền động.

Các thành phần tạo nên mô men xoắn van bi

Tổng mô men xoắn van bi là tổng của bốn thành phần ma sát và lực dòng chảy. Trong đó ma sát giữa bi và vòng làm kín bi chiếm phần lớn, thường khoảng 60–80% tổng mô men. Các thông số như vật liệu vòng làm kín bi, áp suất và cỡ trục nằm trong đặc điểm kỹ thuật van bi do hãng công bố.

Với van bi thông thường, lực dòng chảy lên bi không đáng kể. Vì vậy khi tính toán thực tế, người ta thường tập trung vào ba thành phần ma sát: vòng làm kín bi, tết chèn và ổ đỡ.

Công thức tính mô men xoắn van bi

Công thức tổng quát cộng dồn các thành phần ma sát:

M = M_seat + M_packing + M_bearing + M_dynamic

Sau đây là cách tính các Mô men thành phần của công thức trên:

1. Cách tính Mô men ma sát vòng làm kín bi (van bi nổi) M_seat

Van bi có hai vòng làm kín bi ở hai bên. Ở van bi nổi (floating ball), áp suất đẩy bi ép chủ yếu vào vòng làm kín bi phía sau; vòng phía trước chủ yếu góp phần lực ép sơ bộ. Lực ép gồm lực do chênh áp và lực ép sơ bộ khi lắp ráp:

F = ΔP × π × D_m² / 4 + F₀

M_seat = μ_s × F × D_m / 2

Trong đó:

• ΔP: chênh áp qua van (Pa)
• D_m: đường kính trung bình vòng tiếp xúc bi – vòng làm kín (m)
• F₀: lực ép sơ bộ của hai vòng làm kín bi khi chưa có áp (N), lấy theo dữ liệu nhà sản xuất
• μ_s: hệ số ma sát bi – vòng làm kín, khoảng 0,05–0,15 với PTFE, 0,10–0,25 với vòng làm kín bi kim loại hoặc phủ cứng

2. Cách tính Mô men ma sát vòng làm kín bi và ổ đỡ (van bi trunnion) M_seat và M_bearing

Ở van bi trunnion, lực áp suất lên bi do trục trên và trục dưới gánh. Hai vòng làm kín bi chỉ chịu lực lò xo cộng lực chênh áp trên phần diện tích hình vành khăn của vòng làm kín:

M_seat = μ_s × [F_spring + ΔP × π × (D_m² − D_i²) / 4] × D_m / 2

M_bearing = μ_b × ΔP × π × D_m² / 4 × d_t / 2

Với d_t là đường kính cổ trục trunnion, μ_b là hệ số ma sát bạc lót (khoảng 0,05–0,15 với bạc PTFE/composite).

3. Cách tính Mô men ma sát tết chèn M_packing

M_packing = μ_p × q × π × d × h × d / 2

Trong đó d là đường kính trục van, h là chiều cao vùng tết chèn tiếp xúc, q là áp suất tiếp xúc của tết chèn (thường lấy 1,5–2,5 lần áp suất làm việc), μ_p khoảng 0,05–0,15.

4. Cách tính Mô men ma sát vòng chặn trục M_thrust

Áp suất trong thân van đẩy trục ra ngoài, ép lên vòng chặn (thrust washer):

M_thrust = μ_t × P × π × d² / 4 × r_t

Với r_t là bán kính trung bình vòng chặn. Ở van bi nổi, thành phần này được tính vào M_bearing.

Ví dụ tính mô men xoắn van bi DN50 PN16

Kết quả: van bi nổi DN50, chênh áp 16 bar cần khoảng 21,7 N·m để mở; nhân hệ số an toàn 1,5 thì bộ điều khiển phải đạt tối thiểu 32,5 N·m.

Dữ liệu đầu vào (giả định minh họa):

Các bước tính:

1. Diện tích vòng làm kín bi: π × 0,055² / 4 = 0,002376 m².
2. Lực do chênh áp: 1,6 × 10⁶ × 0,002376 = 3.801 N. Cộng F₀ được F = 4.801 N.
3. Mô men ma sát vòng làm kín bi: 0,15 × 4.801 × 0,0275 = 19,8 N·m.
4. Mô men tết chèn: 0,10 × 2,5 × 10⁶ × π × 0,016 × 0,015 × 0,008 = 1,5 N·m.
5. Mô men vòng chặn trục: 0,10 × 1,6 × 10⁶ × π × 0,016² / 4 × 0,012 = 0,4 N·m.
6. Tổng: 19,8 + 1,5 + 0,4 = 21,7 N·m.
7. Nhân hệ số an toàn 1,5: 21,7 × 1,5 = 32,5 N·m.

Như vậy, bạn chọn bộ điều khiển khí nén có mô men đầu ra ≥ 32,5 N·m tại áp suất khí cấp thấp nhất (ví dụ 4 bar). Ma sát vòng làm kín bi chiếm khoảng 91% tổng mô men, khớp với nhận định vòng làm kín bi là thành phần quyết định.

Bảng tham khảo mô men xoắn van bi theo kích thước

Bảng dưới là giá trị gần đúng cho van bi nổi, vòng làm kín bi PTFE, áp suất PN16/Class 150, nước sạch ở nhiệt độ thường. Giá trị thực tế khác nhau giữa các hãng, nên luôn đối chiếu catalogue của nhà sản xuất trước khi chọn bộ điều khiển. Nếu chưa xác định được cỡ van, hãy xem cách tính kích thước van bi trước.

Giá trị tăng nhanh theo kích thước vì cả lực ép (tỷ lệ với D²) và cánh tay đòn (tỷ lệ với D) cùng tăng. Van bi nổi lớn hơn DN150 hoặc áp suất cao thường chuyển sang kiểu trunnion để giảm mô men.

Hệ số an toàn và cách chọn bộ điều khiển van bi

Mô men đầu ra của bộ điều khiển phải lớn hơn mô men lớn nhất của van nhân với hệ số an toàn:

M_actuator ≥ M_max × SF

Hệ số an toàn (SF) nên chọn theo điều kiện làm việc:

Hai nhóm thiết bị phổ biến là van bi điện và van bi khí nén. Với van lớn mà lực tay vượt khoảng 5 N·m, có thể chuyển sang van bi tay quay dùng hộp số giảm tốc.

Các bước chọn bộ điều khiển:

1. Lấy mô men lớn nhất giữa các giá trị: phá vỡ khi mở (BTO), khi chạy, và khi đóng kín (ETC).
2. Nhân với hệ số an toàn theo bảng trên.
3. Với bộ khí nén tác động đơn (lò xo hồi), kiểm tra cả mô men hành trình khí ở áp suất khí thấp nhất và mô men cuối hành trình lò xo.
4. Với bộ điện, kiểm tra mô men ở điện áp thấp nhất, thường 85% điện áp định mức.
5. Kiểm tra mặt bích lắp ghép theo ISO 5211 (F03–F25) và kiểu đầu trục (vuông, hai mặt phẳng, then).

Không nên chọn bộ điều khiển lớn hơn khoảng 2 lần mô men yêu cầu. Mô men quá lớn có thể ép hỏng vòng làm kín bi mềm hoặc vượt mô men cho phép của trục van (MAST). Sau khi lắp, cần chỉnh hành trình bộ điều khiển cho đúng vị trí đóng/mở; với bộ điện, xem thêm hướng dẫn lắp đặt van bi điện.

Các yếu tố ảnh hưởng đến mô men xoắn van bi

• Chênh áp: là biến số lớn nhất. Với van bi nổi, mô men ma sát vòng làm kín bi tăng gần tuyến tính theo ΔP; luôn tính ở chênh áp thiết kế lớn nhất.
• Vật liệu vòng làm kín bi: PTFE có ma sát thấp nhất; RPTFE, PEEK và vòng làm kín bi kim loại cho mô men cao hơn nhưng chịu nhiệt, chịu áp tốt hơn.
• Nhiệt độ: giãn nở nhiệt làm tăng lực ép bi – vòng làm kín và ma sát tết chèn graphite. Tính mô men ở nhiệt độ làm việc cao nhất, không phải nhiệt độ phòng.
• Lưu chất: lưu chất khô (khí, hơi, bột) làm tăng ma sát; lưu chất có cặn, bùn, dễ kết tinh làm tăng mô men theo thời gian.
• Tần suất vận hành: van để lâu không đóng/mở thường có mô men phá vỡ cao hơn do vòng làm kín bi “dính” vào bi.
• Kiểu van: van bi trunnion có mô men thấp hơn van bi nổi cùng cỡ ở áp suất cao, vì phần lớn lực áp suất do ổ trục gánh.
• Độ siết tết chèn: siết quá chặt làm tăng mô men mà không cải thiện độ kín.

Lưu ý thực tế: công thức trong bài dùng để ước tính và kiểm tra. Khi chọn thiết bị, ưu tiên số liệu mô men do nhà sản xuất van công bố, sau đó mới áp hệ số an toàn.

Nếu cần đối chiếu mô men với catalogue hoặc chọn bộ điều khiển phù hợp cho van đang dùng, đội kỹ thuật Viva sẵn sàng tư vấn theo thông số thực tế của hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

Kết luận: Cách tính mô men xoắn van bi gồm ba bước: tính mô men ma sát vòng làm kín bi theo chênh áp, cộng mô men tết chèn và ổ đỡ, rồi nhân hệ số an toàn 1,25–2,5 tùy điều kiện. Ví dụ van bi nổi DN50 PN16 cần khoảng 21,7 N·m và bộ điều khiển từ 32,5 N·m trở lên. Hãy luôn đối chiếu kết quả với số liệu của nhà sản xuất trước khi đặt mua bộ điều khiển.

Xem thêm: Sự khác nhau giữa van bi và van bướm