Cấu tạo van bướm điều khiển khí nén gồm hai khối ghép với nhau: thân van bướm (thân, đĩa, trục, gioăng) tiếp xúc với môi chất, và bộ truyền động khí nén (vỏ, hai piston, thanh răng – bánh răng, lò xo nếu là tác động đơn) tạo mô-men xoay trục 90°. Phụ kiện như van điện từ, công tắc hành trình, bộ định vị gắn thêm ở phía trên bộ truyền động.
Hiểu cấu tạo van bướm điều khiển khí nén giúp chọn đúng vật liệu, đoán được lỗi nằm ở đâu và đọc được bảng thông số của hãng. Bài này phân tích cấu tạo van bướm điều khiển khí nén theo từng bộ phận.
Phần vật liệu giải thích vì sao chọn loại đó, phần nguyên lý mô tả từng bước cho tác động đơn và tác động kép. Bài ở nhóm các dòng van điều khiển khí nén cho bức tranh rộng hơn về các kiểu van dùng chung bộ truyền động. Nếu chưa nắm khái niệm chung, đọc trước van bướm điều khiển khí nén là gì.
Cấu tạo van bướm điều khiển khí nén: phần thân van bướm
Phần thân trong cấu tạo van bướm điều khiển khí nén có bốn bộ phận: thân, đĩa, trục và gioăng. Bảng dưới tóm tắt vật liệu thường gặp và lý do chọn, phần giải thích chi tiết đi ngay sau.
| Bộ phận | Vật liệu thường gặp | Chức năng | Lý do chọn vật liệu |
|---|---|---|---|
| Thân van | Gang, thép carbon, inox 304/316, nhựa (PVC, CPVC, PP, PVDF) | Khung chịu áp, nối vào đường ống | Theo môi chất, nhiệt độ, áp suất và môi trường lắp |
| Đĩa van | Gang cầu, inox, thép phủ, nhựa | Xoay 90° để đóng hoặc mở dòng chảy | Đĩa nằm trong dòng chảy nên phải chống ăn mòn và mài mòn tốt hơn thân |
| Trục van | Inox 410/304/316, thép hợp kim | Truyền mô-men từ bộ truyền động đến đĩa | Chịu xoắn, không gỉ ở chỗ đi qua gioăng |
| Gioăng (seat) | EPDM, NBR, FKM (Viton), PTFE; kim loại với lệch tâm ba | Làm kín khi đĩa đóng, kín trục khi van quay | Quyết định môi chất và dải nhiệt độ cho phép |
Thân van và kiểu nối
Thân gang rẻ, chịu lực tốt, hợp nước sạch, nước thải và khí không ăn mòn. Thân inox dùng khi môi chất ăn mòn hoặc cần vệ sinh. Inox 316 chứa molypden nên kháng ăn mòn rỗ do clorua tốt hơn inox 304. Thân nhựa nhẹ và trơ với axit, kiềm, nhưng chịu nhiệt và áp thấp hơn kim loại.
Trong cấu tạo van bướm điều khiển khí nén, kiểu nối ảnh hưởng đến cách tháo lắp. Kiểu wafer là thân vòng mỏng kẹp giữa hai mặt bích ống. Kiểu lug có tai ren để bắt bu lông riêng từng phía, nên có thể tháo ống một phía trong khi van vẫn chặn phía còn lại (theo áp cho phép của hãng).
Kiểu mặt bích liền khối trong cấu tạo van bướm điều khiển khí nén chịu áp và tải ống cao nhưng nặng. Kiểu clamp vi sinh dùng cho thực phẩm. So sánh chi tiết ở bài phân loại van bướm khí nén.
Đĩa van: đồng tâm hay lệch tâm
Trong cấu tạo van bướm điều khiển khí nén, đĩa đồng tâm có trục đi qua tâm đĩa và tâm ống, nên vùng gioăng quanh trục luôn bị đĩa ép, còn mép đĩa cọ vào gioăng cao su ở mỗi lần đóng mở. Cấu tạo đơn giản, rẻ, nhưng gioăng bị mài khi đóng mở và chỉ phù hợp áp và nhiệt độ vừa phải.
Đĩa lệch tâm kép đặt trục lùi ra sau mặt làm kín và lệch khỏi đường tâm ống, nên đĩa tách khỏi gioăng ngay khi bắt đầu mở và chỉ chạm lại ở cuối hành trình đóng. Ma sát giảm, tuổi thọ gioăng tăng. Lệch tâm ba thêm góc nghiêng của mặt côn, cho phép dùng gioăng kim loại chịu nhiệt cao. Phân biệt từng loại ở bài đồng tâm, lệch tâm kép, lệch tâm ba.
Trục van
Trong cấu tạo van bướm điều khiển khí nén, trục truyền toàn bộ mô-men của bộ truyền động xuống đĩa, nên thường làm bằng inox hoặc thép hợp kim cứng. Đầu trên trục có tiết diện vuông hoặc dẹt khớp với bộ truyền động theo chuẩn ISO 5211. Trục có thể liền một thanh hoặc chia hai đoạn (trên và dưới); kiểu hai đoạn giúp lòng đĩa không có trục xuyên suốt, giảm cản dòng.
Trục đi qua thân tại điểm làm kín bằng gioăng hoặc vòng chữ O. Nếu chọn bộ truyền động quá lớn so với mô-men trục chịu được, trục có thể xoắn hoặc gãy tại cổ, vì vậy cỡ bộ truyền động luôn phải đối chiếu với mô-men trục tối đa trong catalogue van.
Gioăng làm kín
Gioăng mềm đàn hồi bù được sai lệch nhỏ giữa đĩa và thân, nên kín tốt ở áp thấp và trung bình. Vật liệu được chọn theo hóa học polymer: EPDM là cao su không phân cực nên chịu nước, nước nóng (thường đến khoảng 120 °C, tham khảo), kiềm loãng, nhưng trương nở trong dầu khoáng. NBR có nhóm nitrile phân cực nên kháng dầu và nhiên liệu, nhưng lão hóa nhanh trong ozone và nước nóng.
FKM (Viton) có liên kết C–F bền nên chịu nhiệt và nhiều hóa chất, kể cả dầu, nhưng không hợp với hơi nước nóng, kiềm mạnh và xeton.
PTFE trơ với gần như mọi hóa chất và ma sát thấp, nhưng cứng, không đàn hồi, nên thường làm mặt phủ hoặc dùng cho van lệch tâm. Phần chọn theo môi chất nằm ở bài gioăng làm kín van bướm. Gioăng kim loại dùng cho nhiệt độ rất cao; đổi lại, ở áp thấp độ kín thường kém hơn gioăng mềm.
Cấu tạo van bướm điều khiển khí nén: bộ truyền động thanh răng – bánh răng
Bộ truyền động phổ biến nhất cho van bướm là kiểu thanh răng – bánh răng (rack and pinion). Bộ phận chính trong cấu tạo van bướm điều khiển khí nén gồm:
- Vỏ (thân xi lanh): nhôm đùn, anod hóa cứng hoặc sơn tĩnh điện để chống ăn mòn. Lòng xi lanh được gia công nhẵn để piston trượt kín.
- Hai piston: mỗi piston mang một thanh răng, có vòng chữ O hoặc vòng dẫn hướng. Khí nén tạo lực đẩy trên mặt piston, nguyên lý giống một xi lanh khí nén.
- Bánh răng (pinion) ở giữa: ăn khớp với hai thanh răng, biến chuyển động thẳng ngược chiều thành chuyển động quay. Đầu bánh răng có lỗ vuông hoặc dẹt để lắp trục van.
- Hai nắp đầu: đóng kín buồng; ở loại tác động đơn, bộ lò xo đặt trong nắp.
- Cổng khí: thường có hai cổng, cổng giữa (A) cấp khí vào giữa hai piston, cổng đầu (B) cấp khí vào hai nắp. Mặt cổng theo chuẩn NAMUR, ren thường G1/4; cỡ rất nhỏ có thể dùng G1/8, cỡ lớn dùng G3/8 hoặc G1/2 (theo catalogue hãng).
- Vít chỉnh hành trình: hai vít chặn ở hai đầu cho phép tinh chỉnh góc đóng và góc mở trong phạm vi vài độ (thường khoảng ±5°, tham khảo) để đĩa dừng đúng vị trí kín.
- Chỉ báo vị trí: đầu bánh răng nhô ra hoặc nắp chỉ thị cho biết van đang đóng hay mở.
Trong cấu tạo van bướm điều khiển khí nén, bộ truyền động tác động kép không có lò xo. Bộ tác động đơn có thêm bộ lò xo trong hai nắp, số lò xo chọn theo áp khí cấp và mô-men yêu cầu, nên cùng mô-men đầu ra thì bộ tác động đơn to hơn.
Ở bộ tác động kép, mô-men gần như không đổi trên toàn hành trình, đây là ưu điểm của cơ cấu này. Ở bộ tác động đơn, mô-men khí và mô-men lò xo biến thiên ngược nhau theo hành trình, nên catalogue ghi nhiều giá trị mô-men cho đầu và cuối hành trình.
Bộ truyền động scotch yoke
Scotch yoke dùng một (hoặc hai) piston đẩy cần piston mang chốt trượt; chốt chạy trong rãnh của chạc (yoke) gắn trên trục ra. Vì cánh tay đòn thay đổi theo góc quay, mô-men lớn nhất ở đầu và cuối hành trình và nhỏ nhất ở giữa. Đặc tính này khớp với van bướm: van cần lực lớn nhất để tách đĩa khỏi gioăng lúc khởi động mở và để ép kín lúc đóng. Vì vậy scotch yoke thường dùng cho van cỡ lớn, áp cao.
Đổi lại, scotch yoke làm cấu tạo van bướm điều khiển khí nén cồng kềnh hơn và đắt hơn thanh răng – bánh răng ở cỡ nhỏ. Với phần lớn van bướm cỡ nhỏ và trung bình dùng cho nước, hơi nhẹ hoặc khí, bộ thanh răng – bánh răng đủ dùng và dễ thay thế hơn.
Phụ kiện điều khiển gắn trên bộ truyền động
Phía trên bộ truyền động của cấu tạo van bướm điều khiển khí nén là các phụ kiện, gắn qua giao diện NAMUR (VDI/VDE 3845): mặt cổng khí cho van điện từ, mặt trên và đầu trục cho công tắc hành trình hoặc bộ định vị. Van điện từ cấp và xả khí theo tín hiệu điện. Công tắc hành trình phản hồi trạng thái đóng, mở. Bộ định vị thay công tắc khi cần điều tiết theo 4–20 mA.
Bộ lọc điều áp đặt phía trước, và van tiết lưu điều chỉnh tốc độ chạy.
Mỗi phụ kiện có thông số riêng và lỗi riêng, được tách thành bài phụ kiện van khí nén. Riêng van điện từ, kiểu van đảo chiều khí nén 5/2, 3/2 quyết định đường đi của khí trong phần nguyên lý bên dưới.
Nguyên lý hoạt động của van bướm điều khiển khí nén theo từng bước
Nguyên lý chung: van điện từ đổi đường khí, áp suất trong buồng piston thay đổi, thanh răng chạy, bánh răng quay 90° và đĩa quay theo. Vì mỗi kiểu actuator trong cấu tạo van bướm điều khiển khí nén có đường khí khác nhau, tác động kép và tác động đơn được mô tả riêng.
Trạng thái ban đầu
Khi chưa có tín hiệu, van bướm điều khiển khí nén ở một vị trí xác định. Bộ tác động đơn nằm ở vị trí lò xo (thường đóng hoặc thường mở). Bộ tác động kép giữ vị trí cuối cùng được điều khiển. Khí đã sẵn sàng ở đầu vào bộ lọc điều áp, áp đặt thường 5–6 bar, và PLC chờ gửi lệnh.
Tác động kép: mở và đóng
Van điện từ 5/2 có hai cổng ra nối với hai cổng khí của bộ truyền động.
- Lệnh mở: cuộn coil hút, khí đi từ nguồn (cổng 1) qua một cổng ra vào cổng giữa của bộ truyền động.
- Khí đẩy hai piston ra phía hai đầu, thanh răng kéo bánh răng quay theo chiều ngược kim đồng hồ.
- Khí ở hai nắp đầu bị đẩy ra ngoài qua cổng xả của van điện từ (có giảm thanh).
- Đĩa quay đến song song dòng chảy, piston chạm vít chặn, van mở hoàn toàn.
- Lệnh đóng: coil nhả, van điện từ đổi hướng, khí vào hai nắp đầu, đẩy piston vào giữa, bánh răng quay thuận kim đồng hồ, đĩa trở về vuông góc dòng chảy.
Kiểu quay (ngược hay thuận kim đồng hồ) tùy hãng và cách lắp, nhưng nguyên tắc cấp khí vào hai phía khác nhau luôn đúng. Nếu mất khí, van đứng nguyên ở vị trí hiện tại. Nếu mất điện mà còn khí, van 5/2 một coil hồi về vị trí nghỉ và van chạy về vị trí đóng.
Tác động đơn: mở và đóng bằng lò xo
Với dạng thường đóng, van điện từ 3/2 chỉ có một cổng ra nối với cổng giữa.
- Lệnh mở: coil hút, khí vào giữa hai piston, thắng lực lò xo và đẩy piston ra hai đầu, nén lò xo.
- Bánh răng quay 90°, đĩa mở hoàn toàn, van giữ mở khi còn khí.
- Lệnh đóng hoặc mất điện: coil nhả, van điện từ xả khí buồng giữa ra ngoài. Khi mất khí, áp buồng giữa cũng tụt nên kết quả tương tự.
- Lò xo đẩy piston vào giữa, bánh răng quay ngược lại, đĩa trở về vị trí đóng.
Với dạng thường mở thì ngược lại: cấp khí để đóng, lò xo đẩy ra mở. Kiểu thường đóng hay thường mở được quyết định bằng cách lắp đảo piston hoặc xoay actuator 90° trên mặt bích. Cách chọn giữa hai kiểu tác động ở bài tác động đơn và tác động kép.
Điều tiết với bộ định vị trong cấu tạo van bướm điều khiển khí nén
Khi cần giữ đĩa ở góc trung gian, bộ định vị thay van điện từ:
- PLC gửi tín hiệu 4–20 mA, tương ứng 0–100% độ mở.
- Cảm biến trong bộ định vị đo góc thực tế của trục.
- Bộ định vị so sánh hai giá trị và tính sai lệch.
- Nếu sai lệch dương, cấp thêm khí vào buồng mở; nếu âm, xả bớt khí.
- Vòng phản hồi lặp liên tục cho đến khi sai lệch đủ nhỏ, đĩa đứng yên ở góc yêu cầu.
Với bộ truyền động tác động kép, bộ định vị cấp cả hai buồng. Với tác động đơn, cân bằng giữa áp khí và lò xo quyết định góc. Vùng điều tiết ổn định của van bướm thường nằm trong khoảng góc mở 20–70° (tham khảo).
Đọc nhãn và kiểm tra cấu tạo van bướm điều khiển khí nén khi nghiệm thu
Khi nhận hàng, việc đối chiếu nhãn với cấu tạo van bướm điều khiển khí nén thực tế giúp phát hiện sớm lệch cấu hình. Bảng dưới cho biết cần đọc gì và đối chiếu với bộ phận nào.
| Thông tin trên nhãn hoặc catalogue | Đối chiếu với bộ phận | Điểm cần kiểm tra |
|---|---|---|
| Kiểu tác động (DA hoặc SR) | Bộ lò xo trong hai nắp | Tác động đơn có lò xo, tác động kép thì không |
| Mô-men đầu ra | Piston, bánh răng và trục van | Mô-men actuator phải lớn hơn mô-men van kèm hệ số an toàn |
| Mặt bích ISO 5211 | Đế lắp giữa actuator và thân van | Số lỗ, đường kính vòng bu lông khớp mặt bích van |
| Áp khí tối đa | Vỏ xi lanh và vòng chữ O | Không cấp khí vượt giá trị ghi trên nhãn |
| Vật liệu gioăng | Gioăng bao quanh thân van | Khớp môi chất và nhiệt độ làm việc |
Sau khi đối chiếu nhãn, kiểm tra cấu tạo van bướm điều khiển khí nén theo thứ tự sau:
- Quay thử van bằng tay hoặc cấp khí thấp để xem đĩa có chuyển động đủ 90° và dừng đúng vít chặn không.
- Kiểm tra chỉ báo vị trí trên actuator trùng với vị trí thật của đĩa.
- Nghe và soi bọt xà phòng quanh nắp đầu, cổng khí để tìm chỗ rò.
- Đo thời gian hành trình mở và đóng, ghi lại làm mốc so sánh cho lần bảo trì sau.
Lưu số liệu mốc này là cách đơn giản nhất để nhận biết cấu tạo van bướm điều khiển khí nén đang xuống cấp: thời gian hành trình dài dần thường báo hiệu ma sát tăng, giảm thanh bít hoặc khí cấp kém sạch. Hiểu cấu tạo van bướm điều khiển khí nén ở mức này cũng giúp người bảo trì đặt đúng câu hỏi với nhà cung cấp khi cần thay linh kiện.
Dấu hiệu hư hỏng theo từng bộ phận trong cấu tạo van bướm điều khiển khí nén
Nắm cấu tạo van bướm điều khiển khí nén cho phép đoán nguyên nhân từ triệu chứng. Van không chuyển động nhưng nghe tiếng xì khí thường là vòng chữ O piston hoặc nắp rò. Van chạy chậm, giật thường do khí lẫn nước làm trôi mỡ bôi trơn, hoặc ống khí quá nhỏ. Van đóng không kín dù bộ truyền động về hết hành trình thường do gioăng mòn, đĩa xước hoặc vít chặn chỉnh sai.
Với bộ tác động đơn, lò xo gỉ hoặc gãy làm van không về vị trí an toàn. Công tắc hành trình báo sai thường do cam lệch hoặc vào nước. Quy trình chẩn đoán đầy đủ nằm ở bài lỗi thường gặp.
Sau khi nắm cấu tạo van bướm điều khiển khí nén, khi cần tìm mẫu tương ứng với cấu hình đã chọn, xem danh mục sản phẩm van bướm khí nén.
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 cấu tạo van bướm điều khiển khí nén
Cấu tạo van bướm điều khiển khí nén gồm những bộ phận nào?
Gồm thân van bướm (thân, đĩa, trục, gioăng) và bộ truyền động khí nén (vỏ nhôm, hai piston, thanh răng – bánh răng, vít chỉnh hành trình, lò xo nếu tác động đơn). Phía trên bộ truyền động là phụ kiện: van điện từ, công tắc hành trình hoặc bộ định vị, bộ lọc điều áp khí, ghép với nhau qua mặt bích ISO 5211 và mặt NAMUR.
Vì sao bộ truyền động van bướm dùng thanh răng – bánh răng?
Cơ cấu này biến chuyển động thẳng của hai piston ngược chiều thành chuyển động quay đúng 90° với cấu tạo gọn, mô-men gần như đều trên toàn hành trình (ở loại tác động kép) và dễ chế tạo thành dãy cỡ. Với van cỡ lớn cần mô-men cao ở hai đầu hành trình, người ta thay bằng scotch yoke.
Gioăng EPDM và NBR trong van bướm khác nhau thế nào?
EPDM là cao su không phân cực nên chịu nước, nước nóng đến khoảng 120 °C (tham khảo) nhưng trương nở trong dầu khoáng. NBR có nhóm nitrile phân cực nên kháng dầu và nhiên liệu, nhưng kém bền với ozone và nước nóng. Vì vậy van dẫn nước dùng EPDM, van dẫn dầu dùng NBR hoặc FKM.
Nguyên lý hoạt động van bướm điều khiển khí nén tác động đơn là gì?
Van điện từ 3/2 cấp khí vào buồng giữa, đẩy hai piston ra ngoài và nén lò xo, bánh răng quay 90° làm đĩa mở. Khi ngắt điện hoặc mất khí, van điện từ xả buồng ra ngoài, lò xo đẩy piston về, đĩa trở lại vị trí an toàn. Đây là lý do tác động đơn thường được dùng cho van ngắt khẩn cấp.
Muốn điều tiết lưu lượng thì cần thêm gì vào cấu tạo van bướm điều khiển khí nén?
Cần thay công tắc hành trình bằng bộ định vị nhận tín hiệu 4–20 mA. Bộ định vị đo góc thực của trục, so với tín hiệu yêu cầu rồi cấp hoặc xả khí cho bộ truyền động đến khi đĩa đứng đúng góc. Vùng điều tiết ổn định thường nằm trong khoảng góc mở 20–70° (tham khảo).
