Đơn vị mô men xoắn: N·m, kgf·m, lbf·ft và cách quy đổi

Đơn vị mô men xoắn trong hệ SI là N·m (newton mét, đôi khi viết N.m hoặc Nm), nhưng catalogue van, bộ truyền động và cờ lê lực còn ghi bằng kgf·m, kgf·cm, lbf·ft hay lbf·in. Cùng một con số có thể chênh nhau 10, 12 hoặc 100 lần tùy đơn vị đi kèm, nên đọc sai đơn vị là lỗi chọn thiết bị phổ biến nhất ở phần mô men.

Bài này giải thích mô men xoắn là gì, liệt kê các đơn vị đang dùng ngoài thực tế, có bảng quy đổi đơn vị mô men xoắn chính xác, rồi áp vào ba tình huống kỹ sư bảo trì gặp thường xuyên: mô men đóng mở của van, chọn bộ truyền động và siết bu lông mặt bích.

Mô men xoắn là gì

Mô men xoắn (torque) là đại lượng đặc trưng cho tác dụng làm quay của một lực quanh một trục, tính bằng tích của lực với cánh tay đòn: M = F × r. Trong đó F là lực vuông góc với cánh tay đòn, r là khoảng cách từ trục quay đến điểm đặt lực. Lực 100 N đặt cách tâm trục 0,5 m cho mô men 50 N·m; muốn giữ nguyên mô men mà rút cánh tay đòn xuống 0,25 m thì phải tăng lực lên 200 N.

Đây là lý do cờ lê dài siết dễ hơn cờ lê ngắn, và van lớn cần bộ truyền động mạnh hơn van nhỏ. Định nghĩa đầy đủ, gồm cả bản chất vector của mô men, có trong trang Torque trên Wikipedia.

Đơn vị mô men xoắn và đơn vị năng lượng cùng thứ nguyên N·m

Về thứ nguyên, đơn vị mô men xoắn và đơn vị của công (năng lượng) đều là newton nhân mét. Tuy vậy hai đại lượng này khác bản chất. Công là đại lượng vô hướng, đo bằng jun (J), còn mô men là đại lượng có hướng quay.

Quy ước của SI là chỉ viết N·m cho mô men và dùng J cho năng lượng, nên khi tra đơn vị mô men xoắn không được ghi bằng J. Khi trục quay một góc θ (rad) dưới mô men M thì công sinh ra là M × θ; ở trạng thái đứng yên, mô men vẫn tồn tại nhưng không sinh công.

Các đơn vị mô men xoắn thông dụng

Mỗi đơn vị mô men xoắn dưới đây đều ghép từ một đơn vị lực với một đơn vị chiều dài. Hệ mét dùng newton hoặc kilogam-lực; hệ Anh – Mỹ dùng pound-lực với foot hoặc inch.

• N·m (newton mét): đơn vị mô men xoắn SI, dùng trong tiêu chuẩn và catalogue bộ truyền động châu Âu. Bội số kN·m = 1 000 N·m dùng cho trục lớn; mN·m = 0,001 N·m dùng cho động cơ nhỏ và van điện từ cỡ nhỏ.
• kgf·m và kgf·cm: đơn vị mô men xoắn kỹ thuật cũ, vẫn phổ biến trên thiết bị Nhật, Hàn và Đài Loan. 1 kgf = 9,80665 N, vì vậy 1 kgf·m = 9,80665 N·m và 1 kgf·cm = 0,0980665 N·m. Catalogue đôi khi viết tắt là kg·m hay kg·cm.
• daN·m: decanewton mét, 1 daN·m = 10 N·m, hay gặp trên tài liệu của Pháp và một số hãng châu Âu.
• lbf·ft và lbf·in: đơn vị mô men xoắn pound-lực foot và pound-lực inch, dùng trên thiết bị Mỹ. 1 lbf·ft = 12 lbf·in; cũng được viết ft·lb hoặc in·lb.
• ozf·in: ounce-lực inch, dùng cho động cơ bước và servo nhỏ. 1 lbf·in = 16 ozf·in.

Hệ số cơ bản cần nhớ của đơn vị mô men xoắn: 1 N·m = 0,101972 kgf·m = 10,1972 kgf·cm = 0,737562 lbf·ft = 8,85075 lbf·in; ngược lại 1 lbf·ft = 1,35582 N·m và 1 lbf·in = 0,112985 N·m. Các hệ số này suy ra từ 1 kgf = 9,80665 N, 1 lbf = 4,448222 N, 1 ft = 0,3048 m và 1 in = 0,0254 m, nên là quan hệ chính xác; các hệ số ở trên chỉ được làm tròn đến 6 chữ số có nghĩa.

Bảng quy đổi đơn vị mô men xoắn

Bảng quy đổi đơn vị mô men xoắn dưới đây lấy N·m làm gốc cho các mức mô men hay gặp trên van và bộ truyền động. Chiều ngược lại, từ đơn vị khác về N·m, nhân với hệ số ở bảng thứ hai.

Ví dụ đổi đơn vị mô men xoắn: cờ lê lực của Mỹ đặt 85 lbf·ft thì mô men là 85 × 1,35582 ≈ 115,2 N·m. Ngược lại, nhãn van ghi 25 kgf·m ứng với 25 × 9,80665 ≈ 245,2 N·m. Khi tra nhanh đơn vị mô men xoắn ngoài hiện trường, nhẩm 1 kgf·m ≈ 10 N·m cho sai số khoảng 2 %, đủ để ước lượng nhưng chưa đủ để đặt cờ lê lực hay chọn bộ truyền động sát giới hạn.

Mô men xoắn của van

Với van quay 90° (van bi, van bướm, van nút), mô men xoắn là lực cần đặt vào trục van để xoay đĩa hoặc bi qua toàn hành trình. Giá trị này không cố định mà thay đổi theo vị trí, nên catalogue van thường nêu ba mức riêng, cùng ghi bằng một đơn vị mô men xoắn (thường là N·m).

• Mô men khởi động (breakaway): lớn nhất khi van đang đóng kín hoặc vừa nằm yên lâu. Bi hoặc đĩa phải thắng lực dính và ma sát tĩnh với vòng đệm.
• Mô men chạy (running): nhỏ hơn, ứng với giai đoạn giữa hành trình khi ma sát đã chuyển sang trạng thái động. Ở van bướm, dòng chảy tốc độ cao còn tạo thêm mô men thủy động lên cánh.
• Mô men đóng kín (seating): cần ở cuối hành trình để ép đệm vào bi hoặc đĩa đủ chặt, đạt độ kín theo cấp rò rỉ yêu cầu.

Bốn yếu tố làm mô men của van tăng lên, theo thứ tự ảnh hưởng thường gặp ngoài thực tế:

1. Cỡ van: bi và đệm lớn hơn nên diện tích tiếp xúc và cánh tay đòn đều tăng; lực ép do áp suất tỉ lệ với diện tích, bán kính ma sát tỉ lệ với đường kính, nên thành phần này tăng nhanh hơn bình phương đường kính (mức cụ thể theo bảng mô men của hãng). Khi chọn theo kích thước van DN, cùng áp suất thì van DN100 có mô men lớn hơn van DN50 nhiều lần, không phải gấp đôi.
2. Chênh áp: áp suất đẩy bi vào đệm phía hạ lưu, ép chặt thêm và tăng ma sát. Mô men ở trạng thái đóng, thượng lưu đầy áp, cao hơn nhiều so với khi hai phía cân bằng, nên hãng ghi mô men kèm chênh áp làm việc lớn nhất.
3. Vật liệu đệm và gioăng trục: PTFE nguyên sinh có hệ số ma sát thấp nhưng bị chảy lạnh dưới tải, RPTFE và PEEK cứng hơn, chịu tải tốt hơn nhưng thường cần mô men cao hơn; đệm cao su đàn hồi bám chặt hơn PTFE nên mô men khởi động cũng cao hơn (xu hướng chung, theo số liệu từng hãng).
4. Môi chất và thời gian ngừng: môi chất bẩn, có cặn, dạng bùn hoặc đóng cặn khoáng làm tăng ma sát; van đứng yên hàng tháng thì mô men khởi động có thể cao hơn nhiều so với số liệu ghi khi mới xuất xưởng.

Ví dụ với van bi, mô men tổng là tổng của ma sát giữa bi và đệm, ma sát gioăng trục và thành phần do chênh áp. Phần cách cộng từng thành phần được trình bày ở bài cách tính mô men xoắn của van bi. Trong thực tế mua hàng, kỹ sư thường lấy thẳng bảng mô men của hãng van theo DN, PN và môi chất, rồi cộng hệ số an toàn thay vì tự tính từ đầu.

Một giới hạn khác hay bị bỏ qua là mô men tối đa cho phép của trục van. Bộ truyền động có thể sinh mô men lớn hơn mô men trục chịu được; khi van kẹt, trục bị xoắn gãy trước khi động cơ hoặc khí nén dừng. Hãy so sánh hai con số này trên cùng một đơn vị mô men xoắn: mô men tối đa của bộ truyền động phải nhỏ hơn giới hạn trục ghi trong catalogue van.

Chọn bộ truyền động theo mô men xoắn

Nguyên tắc chọn bộ truyền động là, sau khi quy về cùng đơn vị mô men xoắn, mô men đầu ra thực tế, tại điểm yếu nhất của hành trình, phải lớn hơn mô men van cần cộng hệ số an toàn. Hệ số thông dụng là 1,25 đến 1,5 (tham khảo); chọn gần 1,5 hoặc cao hơn khi môi chất bẩn, van ít vận hành, nhiệt độ thấp hoặc áp suất nguồn không ổn định. Ví dụ van cần 80 N·m, hệ số 1,3 thì chọn bộ truyền động có mô men ≥ 104 N·m ở điều kiện áp khí hoặc điện áp thấp nhất.

Bộ truyền động khí nén

Mô men của bộ khí nén kiểu thanh răng – bánh răng tỉ lệ thuận với áp khí cấp. Catalogue hãng thường cho bảng mô men tại 4, 5 và 6 bar, thường bằng N·m, riêng hãng Mỹ có thể ghi lbf·in nên cần đổi đơn vị mô men xoắn trước khi so.

Nếu một bộ tác động kép có mô men 100 N·m ở 6 bar thì chỉ còn khoảng 66,7 N·m ở 4 bar và 83,3 N·m ở 5 bar (ví dụ minh họa). Vì tổn thất trên đường ống và dao động giữa điểm đóng – ngắt của máy nén, áp ở cuối nhánh thường thấp hơn áp đặt, nên phải chọn theo áp khí thấp nhất có thể gặp, không phải theo 6 bar trên đồng hồ tổng.

Bộ tác động đơn (hồi lò xo) phức tạp hơn vì lò xo và khí tạo mô men ngược nhau. Khi cấp khí, mô men khí phải thắng cả van lẫn lò xo, mô men dư giảm dần về cuối hành trình khi lò xo bị nén nhiều.

Khi cắt khí, lò xo tự đưa van về vị trí an toàn và mô men lò xo ở cuối hành trình là mô men cuối cùng đóng kín van. Cả hai giá trị, mô men khí ở áp thấp nhất và mô men lò xo cuối hành trình, đều phải lớn hơn mô men van nhân hệ số an toàn. Các bước chọn chi tiết có ở bài chọn bộ truyền động khí nén.

Khi đã có cỡ bộ truyền động, hãng thường cung cấp luôn bảng mô men theo áp khí ngay trong bộ van khí nén hoàn chỉnh, tiện đối chiếu với mô men van.

Bộ truyền động điện

Bộ điện ghi mô men đầu ra bằng N·m, thường kèm thời gian hành trình 90° (khoảng 10 đến 60 giây tùy cỡ và hãng, tham khảo).

Bộ có mô men cao hơn thường quay chậm hơn vì động cơ qua hộp giảm tốc nhiều tầng. Mô men ra không phụ thuộc áp khí nhưng giảm khi điện áp nguồn tụt thấp, nên vẫn cần dư mô men. Nhiều bộ có cảm biến mô men để cắt khi quá tải. Dải sản phẩm phổ biến gồm các dòng van điều khiển điện với mô men từ vài chục N·m đến vài trăm N·m cho cỡ vừa.

Cùng một mô men, bộ chạy 24 VDC và 220 VAC khác nhau chủ yếu ở dòng điện. Với công suất giả định 30 W, dòng khoảng 1,25 A ở 24 V nhưng chỉ khoảng 0,14 A ở 220 V (bỏ qua hệ số công suất). Vì vậy bộ 24 V cần dây tiết diện lớn hơn và nguồn đủ dòng khi nhiều van chạy đồng thời; chi tiết về điện áp cấp cho thiết bị công nghiệp được nói ở bài riêng.

Mô men siết bu lông mặt bích

Siết bu lông của mặt bích cũng dùng đơn vị mô men xoắn như trên, nhưng mục tiêu khác: không phải thắng ma sát van mà tạo ra lực kẹp đều quanh gioăng. Mô men đặt trên cờ lê chỉ là cách gián tiếp để đạt lực căng bu lông F theo quan hệ gần đúng T = K × d × F, trong đó d là đường kính danh nghĩa bu lông, K là hệ số mô men.

K phụ thuộc chủ yếu vào ma sát ren và ma sát dưới đầu bu lông. Với thép bu lông khô, K thường cỡ 0,2; khi bôi mỡ hoặc dầu có thể giảm xuống cỡ 0,15 (đều là giá trị tham khảo). Nghĩa là cùng một mô men, bu lông có bôi trơn tạo lực kẹp lớn hơn khoảng 33 %, đủ để ép vỡ gioăng mềm hoặc làm bu lông chảy dẻo.

Vì thế không tồn tại một bảng mô men chung cho mọi trường hợp; giá trị đúng phụ thuộc cấp bền bu lông (ví dụ 5.8, 8.8, A2-70), cỡ ren, loại gioăng (cao su, graphite, spiral wound, PTFE), tình trạng bôi trơn và khuyến cáo của hãng gioăng hoặc hãng van.

Cách siết quan trọng không kém con số mô men. Quy trình thông dụng như sau:

1. Làm sạch ren, kiểm tra mặt bích song song, gioăng nằm đúng tâm.
2. Siết tay cho tất cả bu lông chạm mặt bích.
3. Siết theo thứ tự chéo (sao) ba lượt, lần lượt ở khoảng 30 %, 60 % rồi 100 % mô men đích (tham khảo).
4. Siết thêm một lượt theo vòng tròn (lần lượt từng bu lông kề nhau) ở 100 % cho tới khi đai ốc không xoay thêm, vì bu lông đã siết trước bị nới nhẹ khi các bu lông kế bên được siết.

Thứ tự chéo giúp bích ép đều xuống gioăng thay vì nghiêng một phía. Hãy đổi về đúng đơn vị mô men xoắn của cờ lê (N·m hoặc lbf·ft) rồi dùng cờ lê lực đã hiệu chuẩn (yêu cầu và hiệu chuẩn dụng cụ siết lực cầm tay theo ISO 6789) và bôi trơn đồng nhất trên cả bộ bu lông. Sau khi cấp áp, nhiệt độ dao động làm gioăng giãn chùng, vì vậy nhiều quy trình yêu cầu siết lại lần cuối sau chu kỳ nhiệt đầu tiên, theo hướng dẫn của hãng gioăng.

Lỗi thường gặp khi đọc đơn vị mô men xoắn

Các lỗi dưới đây xuất phát từ việc bỏ qua hoặc đọc nhầm phần đơn vị mô men xoắn. Cả ba lỗi đều dẫn đến sai số lớn, không phải sai số nhỏ.

• Nhầm kgf·cm với kgf·m: sai 100 lần. Van ghi 50 kgf·cm là khoảng 4,9 N·m, không phải 490 N·m. Nhiều bộ van mini và động cơ nhỏ của hãng Nhật ghi đơn vị mô men xoắn bằng kgf·cm.
• Nhầm lbf·in với lbf·ft: sai 12 lần. Cờ lê lực nhỏ thường chia theo lbf·in, cờ lê lực lớn theo lbf·ft; đổi nhầm sẽ siết bu lông quá lỏng hoặc quá chặt đến gãy.
• Nhầm N·m với daN·m: sai 10 lần. Tài liệu châu Âu đôi khi dùng daN·m làm đơn vị mô men xoắn; 20 daN·m là 200 N·m.
• Quên mô men đang ghi ở điều kiện nào: mô men van bi nêu ở chênh áp bao nhiêu, bộ khí nén ở áp khí nào, bu lông ở bôi trơn hay khô. Con số không có điều kiện kèm theo là thiếu dữ liệu.

Cách phòng tránh đơn giản nhất là quy mọi đơn vị mô men xoắn về N·m trước khi so sánh và ghi rõ đơn vị gốc cạnh con số trong bảng chọn thiết bị.

Viva hỗ trợ kỹ sư chọn van và bộ truyền động theo mô men, áp khí hoặc điện áp, cỡ DN và môi chất, đồng thời đối chiếu thông số với catalogue hãng trước khi đặt hàng. Bạn có thể gửi thông số van hoặc bảng mô men, kèm đơn vị mô men xoắn ghi trên nhãn, cần đối chiếu đến văn phòng tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội để được tư vấn.

Câu hỏi thường gặp về đơn vị mô men xoắn