Van khí nén là cơ cấu đóng mở, đổi hướng hoặc điều chỉnh áp suất và lưu lượng của dòng khí nén trong mạch điều khiển, giữa bộ nguồn và các cơ cấu chấp hành như xi lanh, động cơ khí, súng thổi. Theo chức năng, van khí nén chia thành bốn nhóm chính: van điều khiển hướng, van điều khiển áp suất, van điều khiển lưu lượng và van chặn (gồm van một chiều, van logic). Bài này đi qua từng nhóm, nêu rõ chức năng, ví dụ lắp đặt và thông số cần quan tâm khi chọn.
Van khí nén là gì
Trong hệ thống khí nén, van là phần tử xử lý tín hiệu và công suất của mạch: nó quyết định khí đi đường nào, với áp suất bao nhiêu và nhanh hay chậm. Máy nén tạo ra khí, bộ lọc làm sạch khí, còn van khí nén là chỗ biến khí đó thành chuyển động có kiểm soát của xi lanh.
Cần phân biệt hai khái niệm hay bị gộp làm một. Van khí nén là van điều khiển dòng khí bên trong mạch, thường lắp trên bảng van hoặc sát xi lanh. Còn van công nghiệp điều khiển bằng khí nén là van bi, van bướm có bộ truyền động (actuator) dùng khí nén để đóng mở, và môi chất chạy trong đường ống lại là nước, hơi hoặc hóa chất. Hai loại này khác nhau về kích thước, tiêu chuẩn kết nối và mục đích, nên khi tìm mua van khí nén cần nói rõ mình cần loại nào.
Vì sao phải phân nhóm van theo chức năng
Cách phân nhóm van khí nén này theo logic của giáo trình khí nén và tiêu chuẩn ký hiệu ISO 1219. Mỗi nhóm van khí nén trả lời một câu hỏi riêng: khí đi hướng nào, áp suất bao nhiêu, tốc độ ra sao, có được phép chảy ngược hay không.
| Nhóm van | Việc chính | Ví dụ |
|---|---|---|
| Điều khiển hướng | Đóng, mở, đổi đường đi của khí | Van 2/2, 3/2, 5/2, 5/3 |
| Điều khiển áp suất | Hạ, giữ hoặc giới hạn áp suất | Điều áp, van an toàn, van tuần tự |
| Điều khiển lưu lượng | Chỉnh tốc độ, tăng tốc xả | Tiết lưu, tiết lưu một chiều, xả nhanh |
| Van chặn | Chỉ cho khí đi một hướng, hoặc ghép tín hiệu | Một chiều, con thoi (OR), hai áp (AND) |
Nhóm van khí nén điều khiển hướng
Nhóm này gồm các van đảo chiều khí nén, là nhóm đông nhất và có mặt trên hầu hết bảng điều khiển. Tiếng Anh gọi là directional control valve. Van đảo chiều nối hoặc ngắt các cổng với nhau để đổi hướng dòng khí, nhờ vậy xi lanh được đẩy ra, kéo về hoặc dừng.
Đọc tên van theo số cổng và số vị trí
Tên van viết dạng x/y, trong đó x là số cổng nối khí và y là số vị trí chuyển mạch. Van 3/2 có ba cổng, hai vị trí; van 5/2 có năm cổng, hai vị trí; van 5/3 có năm cổng, ba vị trí, thêm vị trí giữa. Cổng thường được đánh số theo ISO 5599-3: 1 là cấp khí, 2 và 4 là cổng ra, 3 và 5 là cổng xả, 12 và 14 là cổng tín hiệu điều khiển. Các mã chữ cũ P, A, B, R, S vẫn còn trên nhiều tài liệu và van đời cũ.
- 2/2: đóng hoặc mở một đường khí, ví dụ cấp khí cho súng thổi hoặc đường hút của mâm hút chân không.
- 3/2: cấp khí rồi xả khí cho một cổng ra, điều khiển xi lanh tác động đơn hoặc cấp tín hiệu khí cho van khác.
- 5/2: hai cổng ra, đảo chiều xi lanh tác động kép, loại đơn coil hồi lò xo hoặc loại hai coil có nhớ vị trí.
- 5/3: thêm vị trí giữa (tâm đóng, tâm xả hoặc tâm áp) để dừng xi lanh ở giữa hành trình.
Cách tác động của van điều khiển hướng
Mỗi van khí nén điều khiển hướng tác động bằng tay (nút ấn, tay gạt), bằng chân, bằng cơ khí (con lăn, đầu dò), bằng khí nén hoặc bằng điện. Với thao tác đứng máy mà hai tay đang giữ phôi, người ta dùng van đạp chân để đổi vị trí van thay cho tay. Tác động cơ khí bằng con lăn thì phù hợp khi cần xi lanh chạm một vị trí là van tự đổi trạng thái.
Trong tự động hóa, van khí nén tác động điện từ chiếm đa số vì dễ nối với PLC. Một van điện từ khí nén 5/2 đơn coil dùng lò xo hồi là cấu hình thông dụng nhất cho xi lanh tác động kép. Loại tác động trực tiếp dùng lực từ kéo thẳng con trượt, còn loại gián tiếp (pilot) dùng van nhỏ dẫn khí đẩy con trượt lớn. Van pilot đổi được cỡ lớn với coil nhỏ nhưng cần áp suất cấp tối thiểu để đẩy con trượt, thường khoảng 1,5 đến 2 bar (tham khảo, tùy hãng).
Nhóm van khí nén điều khiển áp suất
Đứng đầu nhóm này là van điều áp, thiết bị hạ áp suất của đường cấp xuống mức cài đặt và giữ ổn định mức đó khi tải thay đổi. Áp suất quyết định lực của xi lanh, nên mỗi nhánh máy thường cần một van điều áp riêng. Lực lý thuyết của xi lanh bằng áp suất nhân diện tích piston: xi lanh đường kính 63 mm ở áp suất 0,6 MPa cho lực đẩy khoảng 1.870 N.
Ngoài điều áp, nhóm áp suất còn có hai loại khác.
- Van xả áp / van an toàn: mở khi áp suất vượt giá trị đặt, xả bớt khí để bảo vệ bình và đường ống.
- Van tuần tự (sequence valve): chỉ mở đường khí tiếp theo khi áp suất tín hiệu đạt mức đặt. Ví dụ, kẹp phôi xong và áp trong xi lanh kẹp đã đủ thì xi lanh gia công mới được cấp khí.
Điểm khác nhau cần nhớ giữa hai van khí nén này: van điều áp hoạt động liên tục và nằm trên đường khí làm việc, còn van an toàn chỉ hoạt động khi sự cố và đặt ở điểm cao áp. Nhiều người nhầm hai loại này vì cùng đặt theo áp suất nhưng mục đích khác hẳn.
Nhóm van khí nén điều khiển lưu lượng
Nhóm van khí nén này không đổi hướng và cũng không đổi áp suất cài đặt, mà thay đổi lượng khí đi qua trong một đơn vị thời gian, qua đó quyết định tốc độ chuyển động. Tốc độ xi lanh tỷ lệ thuận với lưu lượng khí vào buồng chứa, nên chỉnh lưu lượng là cách chỉnh tốc độ đơn giản nhất.
Van tiết lưu khí nén thu hẹp tiết diện đường khí để hạn chế lưu lượng. Dạng thông dụng là tiết lưu một chiều, ghép van tiết lưu với van một chiều: chiều này khí bị tiết lưu, chiều ngược lại khí đi tự do. Với xi lanh tác động kép, nên tiết lưu đường khí thoát ra (meter-out) vì khí bị nén phía thoát tạo ra lực đệm, nên chuyển động êm và ít giật. Tiết lưu đường khí vào (meter-in) chỉ nên dùng cho xi lanh tác động đơn hoặc tải rất nhẹ.
Để tăng tốc hồi xi lanh, người ta lắp van xả nhanh ngay sát cổng xi lanh. Khi chiều hồi bắt đầu, khí trong xi lanh thoát thẳng ra tiêu âm ở van, không phải chạy ngược theo ống nhỏ về van đảo chiều, nên tốc độ tăng rõ, nhất là với xi lanh tác động đơn có lò xo hồi. Cần lắp tiêu âm cho van xả nhanh để giảm tiếng ồn.
Ví dụ tính nhanh lưu lượng cần cho một xi lanh
Lưu lượng này là cơ sở chọn cỡ van khí nén đảo chiều và van tiết lưu. Lấy xi lanh đường kính 63 mm, hành trình 200 mm, chạy hết hành trình trong 0,5 giây ở áp suất 0,6 MPa (khoảng 7 bar tuyệt đối).
Thể tích buồng = π × 0,63² / 4 × 2 dm ≈ 0,62 lít. Khí tự do tiêu thụ một hành trình ≈ 0,62 × 7 ≈ 4,4 Nl. Lưu lượng trung bình = 4,4 Nl / 0,5 s ≈ 8,7 Nl/s ≈ 520 Nl/min.
Lưu lượng đỉnh luôn lớn hơn giá trị trung bình, vì vậy lấy hệ số dự phòng 1,5 đến 2 lần, tức chọn van có lưu lượng định mức khoảng 800 đến 1.000 Nl/min trở lên (tham khảo).
Van chặn, van một chiều và van an toàn
Nhóm van khí nén chặn chỉ cho khí đi theo một hướng hoặc ghép tín hiệu theo logic. Khác với van đảo chiều, nó không có cơ cấu chuyển vị trí do người dùng điều khiển, mà đóng mở tự động theo chênh áp.
Van một chiều
Van 1 chiều khí nén cho khí đi theo chiều thuận và tự khóa khi dòng đảo ngược, nhờ viên bi hoặc đĩa được lò xo ép vào đế. Áp suất mở của van (cracking pressure) rất thấp, thường chỉ vài phần mười bar (tham khảo). Chỗ hay lắp: sau máy nén để khí trong bình không chảy ngược, sau bình tích áp nhỏ để giữ khí cấp cho mạch ưu tiên khi nguồn tụt áp, và trong cụm van tiết lưu một chiều.
Có loại van một chiều điều khiển bằng khí (pilot check) giữ xi lanh đứng yên khi mất khí. Tuy nhiên van này vẫn rò nhẹ, nên không dùng như cơ cấu giữ tải an toàn cho người đứng dưới tải treo.
Van an toàn
Khi áp suất tăng, lực khí đẩy thắng lực lò xo và van mở ra xả khí. Van an toàn bảo vệ bình chứa khỏi quá áp do máy nén chạy sai điều khiển, do nhiệt độ tăng hoặc do bộ điều áp hỏng. Áp suất đặt của van phải không vượt áp suất làm việc cho phép của bình, và van phải được kiểm định, kẹp chì theo quy định về thiết bị chịu áp lực hiện hành. Không tự ý vặn lò xo để đổi áp suất đặt.
Van logic OR và AND
Van con thoi (OR) có hai cổng vào, chỉ cần một trong hai có khí là cổng ra có khí. Ứng dụng: cho phép khởi động xi lanh từ hai nút ở hai phía máy. Van hai áp (AND) chỉ cho khí ra khi cả hai cổng vào cùng có khí, thường dùng để buộc người vận hành bấm hai nút cùng lúc.
Van bi và van chặn tay
Van bi hay van cầu mở tay trên đường ống chỉ có hai trạng thái đóng và mở, không nằm trong nhóm điều khiển mạch. Nó dùng để cách ly nhánh khi bảo dưỡng: đóng van, xả áp phần phía sau rồi mới tháo thiết bị.
Cách chọn van khí nén
Quy trình chọn van khí nén nên đi từ chức năng, rồi mới đến thông số và mã sản phẩm. Chọn ngược, tức là chọn theo mã có sẵn rồi mới tìm cách lắp, thường dẫn tới van khí nén sai số cổng hoặc thiếu lưu lượng.
- Xác định chức năng: đổi hướng, hạ áp, chỉnh tốc độ hay chặn ngược. Mỗi chức năng thuộc một nhóm van khí nén ở trên.
- Xác định số cổng và số vị trí: xi lanh tác động đơn cần 3/2, tác động kép cần 5/2, muốn dừng giữa hành trình cần 5/3. Khi đối chiếu với bản vẽ, nên đọc ký hiệu van trên sơ đồ để biết tâm van, kiểu hồi và kiểu tác động.
- Chọn cỡ cổng và lưu lượng: tính lưu lượng theo ví dụ ở trên, so với lưu lượng định mức của van khí nén (Nl/min) hoặc hệ số Cv, Kv. Cỡ ren chỉ là kích thước nối, không nói lên lưu lượng.
- Kiểm tra áp suất làm việc: áp suất lớn nhất của mạch phải nằm trong dải của van; van pilot cần thêm áp tối thiểu để đổi vị trí.
- Chọn điện áp coil: thường 24 VDC cho tủ PLC, hoặc 220 VAC; ghi rõ cả công suất và cấp bảo vệ IP nếu dùng ngoài trời hoặc nơi ẩm.
- Xét môi trường và kiểu lắp: khí có dầu hay khô, nhiệt độ, độ bẩn; lắp đơn lẻ hay lắp trên bảng van (manifold) nhiều van.
| Tiêu chí | Nếu chọn thiếu |
|---|---|
| Lưu lượng | Xi lanh chạy chậm, áp trong buồng lên chậm nên chu kỳ máy kéo dài |
| Áp suất tối thiểu của pilot | Van không đổi vị trí khi áp thấp |
| Điện áp coil | Cháy coil hoặc van không hút |
| Vật liệu và gioăng | Gioăng phồng, kẹt khi gặp dầu hoặc dung môi |
Viva hỗ trợ tư vấn chọn van khí nén theo sơ đồ mạch và thông số xi lanh của từng khách, gồm cả việc kiểm tra số cổng, lưu lượng và điện áp coil trước khi báo giá. Văn phòng Hà Nội: Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.
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 van khí nén
Van khí nén khác van công nghiệp điều khiển bằng khí nén ở điểm nào?
Van khí nén điều khiển chính dòng khí trong mạch, kích thước nhỏ, lắp sát xi lanh hoặc trên bảng van. Van công nghiệp điều khiển bằng khí nén là van bi, van bướm có actuator dùng khí để đóng mở, còn môi chất trong ống là nước, hơi hoặc hóa chất. Tên gọi gần giống nhau nhưng mục đích khác hẳn.
Xi lanh tác động kép nên dùng van khí nén loại nào?
Thông dụng nhất là van đảo chiều 5/2: một coil hồi lò xo nếu muốn xi lanh về vị trí an toàn khi mất điện, hai coil nếu cần giữ trạng thái khi mất điện. Muốn dừng xi lanh ở giữa hành trình thì dùng 5/3, chọn tâm đóng, tâm xả hoặc tâm áp tùy tải.
Van điều áp và van an toàn có thay thế nhau được không?
Không. Van điều áp hạ và giữ áp suất ổn định trên đường khí làm việc, hoạt động liên tục. Van an toàn chỉ mở khi áp suất vượt giá trị đặt để bảo vệ bình và đường ống. Mạch cần cả hai: điều áp cho từng nhánh máy, van an toàn cho bình chứa.
Làm sao biết cỡ van khí nén đủ lưu lượng cho xi lanh?
Tính khí tự do xi lanh tiêu thụ trong một hành trình rồi chia cho thời gian chạy để ra Nl/min, sau đó nhân hệ số dự phòng 1,5 đến 2. Van được chọn phải có lưu lượng định mức lớn hơn giá trị này. Không chọn theo cỡ ren, vì cùng ren 1/4 nhưng lưu lượng giữa các dòng van chênh nhau nhiều.
Tiết lưu đường vào hay đường ra thì tốt hơn khi chỉnh tốc độ xi lanh?
Với xi lanh tác động kép, nên tiết lưu đường xả (meter-out). Khí bị giữ phía thoát tạo lực đệm nên xi lanh chuyển động đều, ít giật khi tải thay đổi. Tiết lưu đường vào dễ gây hiện tượng giật cục, chỉ dùng cho xi lanh tác động đơn hoặc tải nhẹ.
Van sử dụng trong hệ thống khí nén