Van đảo chiều khí nén: ký hiệu 3/2, 5/2, 5/3, cấu tạo và cách chọn

Van đảo chiều khí nén là van điều khiển hướng, có nhiệm vụ nối hoặc ngắt các cổng với nhau để dòng khí đi vào cơ cấu chấp hành theo hướng mong muốn, nhờ đó xi lanh được đẩy ra, kéo về hoặc dừng lại. Mỗi van đảo chiều khí nén được gọi tên theo số cổng và số vị trí (2/2, 3/2, 5/2, 5/3), và được tác động bằng tay, chân, cơ khí, khí nén hoặc điện từ. Bài này giải thích cách đọc tên van, phân loại, cấu tạo con trượt và poppet, cách chọn và các lỗi thường gặp ngoài hiện trường.

Van đảo chiều khí nén là gì

Trong các loại van khí nén, van đảo chiều là nhóm phổ biến nhất, vì mọi chuyển động tịnh tiến của xi lanh đều cần ít nhất một van đổi hướng khí. Tiếng Anh gọi là directional control valve, viết tắt DCV.

Cần tránh một cách gọi nhầm hay gặp là coi van đảo chiều là “van điện”. Van đảo chiều khí nén là tên chức năng: van đổi hướng khí. Điện từ chỉ là một kiểu tác động trong số nhiều kiểu, và cùng một van có thể được đổi vị trí bằng nút ấn, bàn đạp, con lăn hoặc khí điều khiển. Vì vậy khi chọn, cần tách rõ hai câu hỏi: van có cấu hình cổng, vị trí nào, và van được tác động bằng gì.

Nguyên lý làm việc của van đảo chiều khí nén

Bên trong thân van đảo chiều khí nén có một phần tử chuyển động (con trượt hoặc đĩa) dịch chuyển giữa các vị trí. Mỗi vị trí ứng với một sơ đồ nối cổng khác nhau. Khi chưa có tín hiệu, lò xo giữ van ở vị trí ban đầu; khi có tín hiệu, lực tác động thắng lò xo và đẩy phần tử sang vị trí còn lại. Cắt tín hiệu thì lò xo đưa van về chỗ cũ, trừ loại có nhớ vị trí.

Cách đọc tên và ký hiệu van đảo chiều khí nén

Tên van viết dạng x/y: x là số cổng nối với đường khí (không tính cổng điều khiển), y là số vị trí chuyển mạch. Ví dụ van 5/2 có năm cổng và hai vị trí. Trên sơ đồ, mỗi vị trí vẽ bằng một ô vuông, trong ô dùng mũi tên và dấu chặn để thể hiện đường khí. Quy tắc vẽ này nằm trong chuẩn ký hiệu khí nén ISO 1219: các cổng được vẽ nối vào ô thể hiện vị trí ban đầu (khi chưa tác động), còn ký hiệu tác động vẽ ở hai đầu, sát ô mà nó đưa vào làm việc.

Đánh số cổng theo ISO 5599-3

Các cổng của van đảo chiều khí nén được đánh số để lắp đúng không phụ thuộc vào hãng. Cách đánh số theo ISO 5599-3 như sau:

Số hai chữ số đọc theo quy ước: cổng 14 là tín hiệu nối cổng 1 với cổng 4, còn cổng 12 nối cổng 1 với cổng 2. Một số hãng vẫn in chữ A, B, P, R, S trên thân, nên khi thay van cần đối chiếu hai hệ ký hiệu.

Phân loại van đảo chiều khí nén theo cổng và vị trí

Với cùng một chức năng đổi hướng, số cổng và số vị trí quyết định van điều khiển được cơ cấu nào. Dưới đây là các cấu hình thông dụng.

Van đảo chiều khí nén 2/2

Van 2/2 có một cổng vào, một cổng ra, hai vị trí: thông hoặc đóng. Nó làm việc như công tắc cho dòng khí, dùng để cấp hoặc ngắt khí cho súng thổi, mâm hút chân không hay một nhánh ống. Van không có cổng xả nên khí còn lại sau van không tự thoát.

Van 3/2: thường đóng (NC) và thường mở (NO)

Van đảo chiều khí nén 3/2 có cổng cấp khí 1, cổng ra 2 và cổng xả 3. Vị trí này cấp khí cho cổng ra, vị trí kia xả khí ở cổng ra ra ngoài. Nhờ có cổng xả, van điều khiển được xi lanh tác động đơn có lò xo hồi, hoặc tạo tín hiệu khí cho van khác.

Theo trạng thái khi không có tín hiệu, van chia thành loại thường đóng (NC) và thường mở (NO): NC chặn cổng cấp khi chưa có tín hiệu, NO thì cho khí qua. Chọn NC hay NO theo yêu cầu an toàn khi mất điện hoặc mất tín hiệu.

Van đảo chiều khí nén 4/2 và 5/2

Cả hai dùng cho xi lanh tác động kép, vì mỗi van có hai cổng ra, một cổng nối buồng đẩy và một cổng nối buồng kéo. Van 4/2 chỉ có một cổng xả chung. Van 5/2 có hai cổng xả riêng cho hai buồng, nhờ vậy dùng được tiết lưu đường xả độc lập cho từng chiều chuyển động. Đây là lý do 5/2 phổ biến hơn 4/2 trong công nghiệp.

Về điều khiển, 5/2 có hai kiểu:

• Đơn coil, hồi lò xo: mất tín hiệu thì van về vị trí ban đầu, xi lanh tự về vị trí an toàn xác định.
• Hai coil (xung), có nhớ: chỉ cần một xung ngắn là van giữ nguyên vị trí cho đến khi có xung ngược. Mất điện, xi lanh giữ trạng thái cuối cùng, nên phù hợp khi không được thả kẹp lúc mất điện.

Van đảo chiều khí nén 5/3 và vị trí giữa

Van 5/3 có thêm vị trí giữa nên dừng được xi lanh ở giữa hành trình. Loại vị trí giữa quyết định cách xi lanh ứng xử khi dừng:

• Tâm đóng: chặn kín cả hai cổng ra, giữ xi lanh tại chỗ. Khí bị nén nên xi lanh vẫn trôi nhẹ khi tải đổi, nên không dùng làm khóa vị trí chính xác.
• Tâm xả: xả cả hai buồng ra ngoài, xi lanh thả lỏng và đẩy tay được. Dùng khi cần chỉnh phôi thủ công hoặc cần xả hết áp lúc dừng.
• Tâm áp: cấp khí vào cả hai buồng. Với xi lanh một ty, diện tích hai phía khác nhau nên xi lanh vẫn bị đẩy lệch, chỉ nên dùng khi đã cân tải.

Phân loại theo cách tác động

Cách tác động là việc dùng lực gì để đổi vị trí van đảo chiều khí nén. Trong thực tế có năm nhóm.

• Tay: nút ấn, tay gạt, núm xoay. Dùng ở bàn thao tác, thường kèm khóa vị trí.
• Chân: khi hai tay đang giữ phôi, người vận hành dùng bàn đạp chân để đổi van. Nên chọn kiểu có nắp che để tránh đạp nhầm.
• Cơ khí: con lăn, cần dò. Xi lanh chạm vào là van tự đổi, không cần tín hiệu điện.
• Khí nén: tín hiệu khí tới cổng 12 hoặc 14. Dùng ở môi trường cấm điện hoặc làm mạch logic thuần khí.
• Điện từ: phổ biến nhất trong tự động hóa.

Van đảo chiều khí nén tác động điện từ: trực tiếp và gián tiếp

Một van điện từ khí nén có hai cách làm việc. Loại tác động trực tiếp dùng lực từ kéo thẳng con trượt, không cần áp suất tối thiểu nhưng cỡ van nhỏ vì lực từ có hạn. Loại tác động gián tiếp (pilot) dùng coil nhỏ mở một van phụ, khí từ van phụ đẩy con trượt chính nên đổi được cỡ lớn với công suất coil thấp.

Đổi lại, loại pilot cần áp suất cấp tối thiểu để đẩy con trượt, thường khoảng 1,5 đến 2 bar (tham khảo, tùy hãng). Dưới ngưỡng này van có thể đổi không hết hoặc không đổi. Với loại pilot, nên kiểm tra áp suất thấp nhất của nguồn khí tại điểm lắp van, nhất là khi một đường ống nuôi nhiều xi lanh chạy cùng lúc.

Cấu tạo con trượt và poppet

Van đảo chiều khí nén có hai kiểu cơ cấu đóng mở chính: con trượt (spool) và đĩa nâng (poppet). Hai kiểu cấu tạo này quyết định độ kín, độ bền với bẩn và lực cần để đổi vị trí.

Van con trượt

Con trượt là một thanh trụ có nhiều rãnh, trượt trong lỗ thân van. Khi trượt, các rãnh nối hoặc chắn các cổng. Vì áp suất tác động lên con trượt theo hướng vuông góc với chuyển động nên lực cân bằng, lực đổi vị trí nhỏ, rất hợp với van nhiều vị trí và lưu lượng lớn. Nhược điểm là độ kín phụ thuộc khe hở hoặc gioăng giữa con trượt và thân, nên rò khí nhẹ ở van cũ và nhạy với bụi, nước làm kẹt.

Van poppet

Poppet là một đĩa hoặc nón ép lên đế van bằng lò xo, kín gần như tuyệt đối khi đóng. Khi mở, đĩa nhấc khỏi đế một đoạn ngắn, nên đáp ứng nhanh và chịu bẩn khá hơn con trượt. Nhược điểm là áp suất khí đè lên đĩa nên cần lực tác động lớn hơn, và khó làm van nhiều vị trí. Van bàn đạp, van nút ấn 3/2 cỡ nhỏ hay dùng poppet.

Cổng xả 3 và 5 (hay R và S) của van đảo chiều khí nén ở cả hai kiểu đều thoát khí với tốc độ cao nên ồn. Cổng này thường lắp giảm thanh khí nén bằng đồng thiêu kết hoặc nhựa xốp. Tiêu âm tắc bụi hoặc dầu làm khí thoát chậm, sinh áp ngược và xi lanh chạy chậm lại, nên phải kiểm tra định kỳ.

Cách chọn van đảo chiều khí nén

Muốn chọn van đảo chiều khí nén đúng, hãy đi theo thứ tự sau, từ chức năng đến thông số điện và kiểu lắp.

1. Số cổng và số vị trí: xi lanh tác động đơn dùng 3/2, tác động kép dùng 5/2 (hoặc 4/2), cần dừng giữa hành trình dùng 5/3 với tâm phù hợp.
2. Kiểu hồi và số coil: hồi lò xo nếu cần về vị trí an toàn khi mất điện; hai coil nếu cần giữ vị trí.
3. Cỡ ren cổng: thường G1/8, G1/4, G3/8 tùy cỡ xi lanh.
4. Lưu lượng: tính theo cỡ xi lanh và thời gian chạy, như ví dụ bên dưới.
5. Điện áp coil: 24 VDC cho tủ PLC, 220 VAC cho mạch đơn giản. Xem công suất coil và cấp bảo vệ IP.
6. Kiểu lắp: lắp đơn bằng ren, hay lắp trên đế (manifold) khi nhiều van tập trung một chỗ.

Chọn cỡ van theo lưu lượng xi lanh

Lưu lượng là thông số hay bị bỏ qua nhất. Cỡ ren không cho biết khả năng qua khí, vì cùng ren 1/4 nhưng một số van chỉ qua được vài trăm Nl/min, số khác gấp đôi. Hãy so khí xi lanh cần với lưu lượng qua van (Cv, Kv) hoặc lưu lượng định mức Nl/min của hãng.

Ví dụ: xi lanh Ø50, hành trình 200 mm, chạy 0,5 s ở 0,6 MPa. Thể tích buồng ≈ 0,39 lít, khí tự do một hành trình ≈ 0,39 × 7 ≈ 2,7 Nl, lưu lượng trung bình ≈ 330 Nl/min. Nhân hệ số dự phòng 1,5–2 thì cần van từ khoảng 500 đến 660 Nl/min trở lên.

Phối hợp với cảm biến vị trí

Trong mạch tự động, van đảo chiều khí nén đổi trạng thái theo tín hiệu của cảm biến từ báo vị trí piston gắn trên thân xi lanh. Khi piston chạm cuối hành trình, cảm biến báo về PLC, PLC cắt coil này và cấp coil kia. Với kiểu này cần chú ý thời gian đáp ứng của van và độ trễ của tín hiệu, nhất là khi xi lanh chạy nhanh.

Ví dụ dòng van phổ biến

Trên thị trường, các dòng van đảo chiều khí nén 5/2 cổng ren 1/4 rất quen thuộc. Chẳng hạn mã 4V210-08 của dòng van điện từ Airtac là loại 5/2 cổng ren 1/4, đây chỉ là ví dụ để bạn hình dung kiểu mã; thông số cần đối chiếu catalog của hãng trước khi đặt hàng.

Lỗi thường gặp và bảo dưỡng

Phần lớn sự cố của van đảo chiều khí nén bắt nguồn từ chất lượng khí cấp chứ không phải do hỏng van.

• Kẹt con trượt: nước ngưng, bụi và cặn dầu làm con trượt dính. Dùng khí cấp đã lọc và xả nước định kỳ là cách phòng ngừa đúng nhất.
• Cháy coil: hay xảy ra khi cấp sai điện áp, hoặc con trượt kẹt nên lõi sắt không hút hết hành trình. Coil AC khi lõi chưa hút kín sẽ kéo dòng lớn và nóng rất nhanh; coil DC ít bị hơn.
• Rò ra cổng xả: gioăng con trượt mòn hoặc đế poppet bị xước. Khí thoát liên tục ở cổng 3, 5 ngay cả khi xi lanh đứng yên.
• Van đổi không hết: áp pilot thấp, tiêu âm tắc, hoặc lò xo yếu.
• Xi lanh chạy chậm sau thời gian dài: cổng xả tắc hoặc ống dẫn quá nhỏ, không phải lỗi coil.

Về bảo dưỡng van đảo chiều khí nén, kiểm tra chất lượng khí cấp, vệ sinh tiêu âm, siết chặt đầu nối điện và đo điện áp tại coil lúc coil đang được cấp điện. Nhiều dòng van được bôi trơn sẵn từ nhà máy, nên không cần bộ tra dầu. Nếu van đã từng chạy với bộ tra dầu thì lớp mỡ gốc đã bị dầu rửa trôi, nên phải tiếp tục tra dầu; ngừng tra dầu đột ngột làm van nhanh mòn.

Viva hỗ trợ tư vấn chọn van đảo chiều khí nén theo cỡ xi lanh, kiểu tác động và điện áp coil của từng khách, kèm báo giá theo thông số cụ thể. Văn phòng Hà Nội: Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.

Câu hỏi thường gặp về van đảo chiều khí nén