Tác động đơn và tác động kép là hai kiểu bộ truyền động khí nén: tác động kép (double acting, DA) dùng khí nén đẩy cả chiều mở lẫn chiều đóng, còn tác động đơn (single acting, SR hay spring return) dùng khí cho một chiều và lò xo đẩy chiều ngược lại. Sự khác nhau giữa tác động đơn và tác động kép quyết định van làm gì khi mất khí, bộ truyền động to hay nhỏ, tốn bao nhiêu khí và giá cao hay thấp.
Bài này áp dụng cho mọi van điều khiển khí nén dùng actuator quay 90°, nhất là van bi và van bướm điều khiển khí nén. Cách chọn tác động đơn và tác động kép được trình bày từ cơ chế: cơ cấu bên trong, sơ đồ cấp khí, vị trí an toàn, cách kiểm tra mô-men và chọn theo tình huống.
Cơ cấu bên trong của tác động đơn và tác động kép
Cả tác động đơn và tác động kép dùng chung thân nhôm (hoặc inox), hai piston, trục ra có bánh răng và thanh răng. Khác biệt nằm ở buồng khí và lò xo. Cấu tạo chi tiết của bộ truyền động có trong bài cấu tạo bộ truyền động.
Cấu tạo tác động kép (DA)
Bộ truyền động có hai buồng khí: buồng giữa hai piston và buồng ở hai đầu (nối thông với nhau). Theo quy ước phổ biến, cấp khí vào cổng A (buồng giữa) thì piston chạy ra hai đầu, trục quay ngược chiều kim đồng hồ để mở; cấp khí vào cổng B (buồng hai đầu) thì piston chạy vào trong, trục quay theo chiều kim đồng hồ để đóng. Khí ở buồng còn lại được xả ra ngoài qua van điện từ.
Vì cả hai chiều đều do khí đẩy với cùng diện tích piston, mô-men gần như không đổi theo hành trình và bằng nhau ở hai chiều. Mô-men tỉ lệ thuận với áp khí và diện tích piston.
Cấu tạo tác động đơn (SR)
Mỗi đầu piston lắp thêm một hoặc nhiều lò xo nén, đặt trong nắp. Khí chỉ cấp vào buồng giữa hai piston để đẩy chúng ra ngoài, nén lò xo; khi xả khí, lò xo đẩy piston về, trục quay ngược lại. Số lò xo mỗi bên được chọn theo bảng của hãng, tương ứng với áp khí cấp, để mô-men lò xo vừa đủ đóng van mà khí vẫn thắng được lò xo.
Lò xo bị nén dần khi piston chạy, nên lực lò xo tăng theo hành trình. Đó là lý do mô-men của tác động đơn thay đổi theo vị trí chứ không phẳng như tác động kép.
Sơ đồ cấp khí và hành vi khi mất điện, mất khí
Van điện từ dùng cho tác động đơn và tác động kép khác nhau. Chọn sai kiểu van điện từ là lỗi phổ biến khi thay thế giữa tác động đơn và tác động kép.
- Tác động kép dùng van điện từ 5/2 (5 cổng, 2 vị trí): một cổng cấp, hai cổng ra A và B, hai cổng xả. Van 5/2 một cuộn coil tự về vị trí lò xo khi mất điện, nên nếu còn khí, actuator sẽ chạy về vị trí ứng với trạng thái nghỉ của van điện từ; van 5/2 hai cuộn coil giữ vị trí cuối khi mất điện.
- Tác động đơn dùng van điện từ 3/2 (3 cổng, 2 vị trí): cấp khí vào actuator khi có điện, xả khí ra ngoài khi mất điện để lò xo đưa van về.
Thông tin về nguyên lý và ký hiệu các loại van này có tại bài van đảo chiều 5/2, 3/2. Phần cấp khí cho actuator thường dùng van điện từ khí nén lắp theo chuẩn NAMUR.
Khi mất khí cấp, tác động đơn và tác động kép khác nhau rõ nhất. Tác động đơn về vị trí lò xo (đóng hoặc mở, tùy kiểu lắp) mà không cần nguồn nào khác. Tác động kép không có lực hồi, nên van đứng yên ở vị trí cuối; nếu dòng chảy hoặc tải tác động lên đĩa van, van có thể tự trôi vì không còn áp khí giữ piston.
Vị trí an toàn: thường đóng và thường mở
Vị trí an toàn (fail-safe) là trạng thái van tự về khi mất khí hoặc mất điện. Với tác động đơn có hai cấu hình:
- Thường đóng (FC, fail close): lò xo đóng van, khí cấp để mở.
- Thường mở (FO, fail open): lò xo mở van, khí cấp để đóng.
Trên actuator thanh răng–bánh răng, đổi từ FC sang FO bằng cách tháo hai piston, xoay 180° rồi lắp lại để chiều quay đảo ngược, hoặc lắp actuator lệch 90° so với trục van nếu cơ cấu van cho phép. Cách làm cụ thể theo catalogue hãng, không nên tự đổi nếu chưa nắm quy trình nhả lò xo an toàn.
Khái niệm fail-safe còn dùng ở nhiều lĩnh vực kỹ thuật, xem thêm bài Fail-safe trên Wikipedia. Trong thực tế, actuator điện muốn có tính năng này phải thêm pin dự phòng hoặc lò xo hồi, so sánh chi tiết nằm ở bài so sánh với van bướm điện.
Mô-men của tác động đơn và tác động kép
Mô-men quyết định actuator có đóng mở nổi van hay không, và là tiêu chí chọn giữa tác động đơn và tác động kép. Tác động đơn và tác động kép khác nhau ở cách tính mô-men, và đây là chỗ dễ sai nhất khi chọn.
Với tác động kép, mô-men đầu ra xấp xỉ bằng áp khí nhân diện tích piston nhân bán kính vòng lăn của bánh răng (trừ tổn hao ma sát), nên bảng catalogue chỉ cần một giá trị cho mỗi mức áp (3, 4, 5, 6 bar). Mô-men ở 4 bar thấp hơn ở 6 bar theo đúng tỉ lệ áp.
Với tác động đơn có bốn giá trị cần đọc: mô-men khí ở đầu và cuối hành trình, mô-men lò xo ở đầu và cuối hành trình. Mô-men khí giảm dần khi lò xo bị nén vì một phần lực khí dùng để thắng lò xo. Mô-men lò xo giảm dần khi lò xo giãn ra. Nghĩa là điểm yếu nhất của chiều khí là cuối hành trình khí, và điểm yếu nhất của chiều lò xo là cuối hành trình lò xo.
Quy tắc kiểm tra: mô-men lò xo cuối hành trình phải lớn hơn hoặc bằng mô-men đóng (hoặc mở) của van nhân hệ số an toàn, và mô-men khí cuối hành trình tại áp khí thấp nhất cũng phải đáp ứng.
Mô-men khí trong bảng tác động đơn thường là giá trị thực đã trừ lực lò xo; nếu hãng ghi khác, cần đọc kỹ chú thích bảng. Cách lấy mô-men van, hệ số an toàn và đọc bảng có ví dụ tính tại bài chọn bộ truyền động khí nén.
Vì sao tác động đơn thường to hơn một cỡ so với tác động kép khi cần cùng mô-men? Vì một phần lực khí bị lò xo triệt tiêu, nên phải tăng diện tích piston để còn đủ mô-men thực. Đây là mức tham khảo, kết quả cụ thể phụ thuộc bảng của từng hãng.
Ví dụ kiểm tra mô-men giữa tác động đơn và tác động kép (số liệu giả định)
Ví dụ dưới đây dùng số liệu giả định để minh họa cách đối chiếu, không phải thông số của hãng nào. Van bướm DN100 có mô-men đóng lớn nhất 40 N·m, hệ số an toàn 1,3, nên mô-men yêu cầu là 52 N·m. Áp khí thấp nhất tại van là 5 bar vào giờ cao điểm.
- Phương án tác động kép: bảng giả định ghi 75 N·m ở 5 bar, mô-men tỉ lệ theo áp nên ở 4 bar còn khoảng 60 N·m. Cả hai mức đều lớn hơn 52 N·m, đạt ở cả hai chiều.
- Phương án tác động đơn: bảng giả định ghi mô-men lò xo cuối hành trình 56 N·m, đạt vì lớn hơn 52 N·m. Mô-men khí cuối hành trình khí là 54 N·m ở 5 bar, đạt sát giới hạn.
- Cùng actuator tác động đơn đó, khi áp tại van tụt xuống 4 bar, mô-men khí cuối hành trình chỉ còn khoảng 38 N·m (giả định), không đủ 52 N·m. Chiều lò xo vẫn đóng được van nhưng chiều khí không mở hết.
Kết quả cho thấy so sánh tác động đơn và tác động kép không dừng ở việc có lò xo hay không. Với tác động đơn, mô-men khí giảm nhanh hơn khi áp giảm vì mỗi bar mất đi cộng với lực lò xo cố định phải thắng. Do đó tác động đơn cần dự phòng áp khí lớn hơn, hoặc chọn cỡ lớn hơn một bậc so với tác động kép khi áp mạng không ổn định.
Khi lập phiếu chọn, nên ghi áp khí thấp nhất tại van thay vì áp danh định, rồi đọc cả bốn giá trị mô-men của tác động đơn trước khi so với tác động kép.
Tiêu thụ khí: tác động đơn và tác động kép khác nhau thế nào
Tác động kép phải cấp khí cho mỗi chiều và xả khí ở buồng đối diện, nên khí tiêu thụ cả khi mở và khi đóng, nhưng buồng nhỏ hơn. Tác động đơn chỉ nạp khí ở một chiều, chiều còn lại lò xo làm việc nên không tốn khí, tuy nhiên thể tích buồng lớn hơn vì thân to.
Với van đóng mở ít lần trong ngày, khác biệt tiêu thụ khí giữa tác động đơn và tác động kép không đáng kể. Với van đóng mở nhiều lần, nên tính lượng khí theo thể tích buồng nhân số chu kỳ rồi so với công suất máy nén.
Bảng so sánh tác động đơn và tác động kép theo 9 tiêu chí
| Tiêu chí | Tác động kép (DA) | Tác động đơn (SR) |
|---|---|---|
| Nguồn lực | Khí nén cả hai chiều | Khí một chiều, lò xo một chiều |
| Van điện từ | 5/2 | 3/2 |
| Khi mất khí | Giữ vị trí cuối, có thể trôi | Tự về vị trí lò xo |
| Vị trí an toàn | Không có sẵn | Thường đóng (FC) hoặc thường mở (FO) |
| Mô-men | Gần như phẳng theo hành trình | Thay đổi theo hành trình, cần 4 giá trị |
| Kích thước | Gọn hơn | Lớn hơn do có lò xo |
| Tiêu thụ khí | Cả hai chiều | Một chiều |
| Số cổng khí | 2 cổng A và B | 1 cổng cấp khí (cổng còn lại thông hơi buồng lò xo) |
| Chi phí | Thấp hơn với cùng mô-men | Cao hơn do lò xo và thân lớn |
Chọn tác động đơn hay tác động kép theo tình huống
Quy tắc chung khi chọn tác động đơn và tác động kép: cần vị trí an toàn khi mất khí thì chọn tác động đơn, không cần thì tác động kép gọn và rẻ hơn.
- Ngắt khẩn cấp (ESD), cấp khí nhiên liệu, dầu: tác động đơn thường đóng, để van tự đóng khi mất nguồn.
- Cấp hơi, nước làm mát cho thiết bị cần luôn có dòng: tác động đơn thường mở.
- Nước thải, đóng mở thông thường, nơi mất khí không gây nguy hiểm: tác động kép để gọn và tiết kiệm chi phí.
- Khu vực chống cháy nổ: tác động đơn giúp van tự về vị trí an toàn không cần nguồn điện, nhưng van điện từ và công tắc vẫn cần loại Ex.
- Van DN lớn, mô-men cao: tác động kép gọn hơn nên được ưu tiên; nếu cần fail-safe, dùng tác động đơn cỡ lớn hoặc kèm bình khí dự trữ.
- Nơi khí không ổn định hoặc dao động áp: tác động đơn bảo đảm chiều lò xo không phụ thuộc áp khí; nhưng chiều khí lại nhạy với áp thấp hơn tác động kép vì phải thắng lò xo, nên cần bảo đảm áp tối thiểu.
Nhóm van có cả tác động đơn và tác động kép tại van bi khí nén và van bướm khí nén, hoặc mua actuator rời ở bộ truyền động khí nén. Tổng quan về bộ lọc, điều áp, công tắc hành trình đi kèm nằm ở bài phụ kiện van khí nén.
Lỗi hay gặp khi chọn tác động đơn và tác động kép
- Lắp sai số lò xo ở tác động đơn: số lò xo quá ít làm mô-men lò xo không đủ để đóng van; quá nhiều làm áp khí cấp không thắng nổi lò xo ở cuối hành trình khí.
- Áp khí thấp làm tác động đơn không đủ lực: mô-men khí chạy theo áp, nên khi áp mạng giảm vào giờ cao điểm, chiều khí có thể không mở hết van trong khi chiều lò xo vẫn bình thường.
- Nhầm van điện từ 3/2 với 5/2: lắp 3/2 cho tác động kép chỉ cấp được một buồng nên van chỉ chạy một chiều; lắp 5/2 cho tác động đơn vẫn chạy được nếu bịt cổng ra thừa hoặc đấu theo hướng dẫn của hãng.
- Chọn theo DN thay vì theo mô-men: hai van cùng DN có thể khác mô-men nhiều lần tùy kiểu đĩa, gioăng và áp chênh.
- Tháo nắp tác động đơn khi lò xo còn nén: lò xo có thể bung gây thương tích, phải nhả đều theo quy trình của hãng.
Việc chọn đúng giữa tác động đơn và tác động kép và đúng cỡ actuator theo thông số thực tế, có thể gửi loại van, DN, áp chênh, áp khí thấp nhất và vị trí an toàn mong muốn để kỹ thuật tính hộ.
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 tác động đơn và tác động kép
Tác động đơn và tác động kép khác nhau ở điểm nào?
Tác động kép dùng khí nén đẩy cả chiều mở và chiều đóng, nên cần van điện từ 5/2 và khi mất khí van giữ nguyên vị trí. Tác động đơn dùng khí cho một chiều, chiều còn lại do lò xo, nên cần van điện từ 3/2 và tự về vị trí an toàn khi mất khí. Tác động đơn thường to hơn cùng mô-men.
Khi nào nên chọn tác động đơn thay vì tác động kép?
Chọn tác động đơn khi van phải tự về vị trí an toàn lúc mất khí hoặc mất điện, ví dụ ngắt khẩn cấp, cấp nhiên liệu, khu vực chống cháy nổ. Nếu mất khí không gây hậu quả và van chạy nhiều chu kỳ, tác động kép gọn và rẻ hơn. Nên cân nhắc cả khí cấp có ổn định không.
Van tác động đơn có dùng được khi mất khí không?
Có, đó là lợi thế chính của loại này. Lò xo hồi đưa van về vị trí thường đóng hoặc thường mở mà không cần khí hay điện. Điều kiện là lò xo đủ mô-men để thắng mô-men đóng hoặc mở của van ở cuối hành trình lò xo, nên cần kiểm tra bảng mô-men của hãng, chứ không chọn theo DN.
Tác động kép dùng van điện từ nào, tác động đơn dùng van nào?
Tác động kép dùng van điện từ 5/2 để cấp khí luân phiên vào hai buồng và xả buồng đối diện. Tác động đơn dùng van điện từ 3/2: có điện thì cấp khí vào, mất điện thì xả khí để lò xo đẩy về. Lắp nhầm hai loại này làm van chỉ chạy một chiều hoặc không về đúng vị trí.
Tác động đơn và tác động kép có đổi được thường đóng sang thường mở không?
Với actuator thanh răng–bánh răng, thường đổi được bằng cách tháo piston và lắp lại theo chiều đối xứng, hoặc lắp actuator lệch 90° trên van. Việc này cần nhả lò xo theo đúng quy trình và đối chiếu catalogue hãng. Với tác động kép, chiều quay đổi bằng cách đảo cổng khí A và B, nên thường không cần tháo máy.
