Van khí nén là các thành phần ra quyết định của hệ thống khí nén - chúng xác định thời điểm không khí chảy, theo hướng nào, ở áp suất nào và đến bộ truyền động hoặc mạch nào. Van khí nén bị hỏng hoặc hoạt động kém không chỉ ảnh hưởng đến một chức năng; nó làm gián đoạn toàn bộ chuỗi hoạt động ở hạ lưu. Hiểu cách hoạt động của từng bộ phận bên trong van khí nén, lý do tại sao nó được thiết kế như vậy và cách tất cả các bộ phận tương tác với nhau là kiến thức cần thiết cho bất kỳ ai chỉ định, bảo trì hoặc khắc phục sự cố hệ thống khí nén. Bài viết này nghiên cứu cấu tạo của van khí nén từ trong ra ngoài, bao gồm chức năng và logic cơ học của từng bộ phận chính.
Thân van: Cấu trúc, bố cục cổng và các cân nhắc về vật liệu
Thân van là nền tảng cấu trúc của toàn bộ tổ hợp - vỏ được gia công chính xác chứa tất cả các bộ phận bên trong, cung cấp các kết nối cổng với mạch khí nén và duy trì sự ổn định về kích thước trong chu trình áp suất và biến đổi nhiệt độ. Trong các van điều khiển hướng, thân van chứa lỗ mà ống chỉ hoặc van điều khiển di chuyển, cổng vào (cung cấp áp suất), cổng làm việc (kết nối với bộ truyền động) và cổng xả. Hình dạng của các cổng này - đường kính, khoảng cách và góc giao nhau trong thân - xác định khả năng dòng chảy của van, được biểu thị bằng hệ số Cv và đặc tính giảm áp suất của nó.
Thân van dùng cho khí nén công nghiệp nói chung được sản xuất phổ biến nhất từ hợp kim nhôm, mang đến sự kết hợp tuyệt vời giữa trọng lượng nhẹ, khả năng gia công, khả năng chống ăn mòn và tính dẫn nhiệt. Đối với các ứng dụng áp suất cao hơn (trên 10 bar), thân bằng thép không gỉ hoặc sắt dẻo được sử dụng. Bề mặt hoàn thiện của lỗ khoan bên trong rất quan trọng - nó phải đủ mịn để cho phép ống cuộn hoặc pít-tông chuyển động tự do với ma sát tối thiểu, đồng thời duy trì dung sai kích thước đủ gần để ngăn chặn rò rỉ bên trong quá mức giữa các cổng. Khoảng hở điển hình từ lỗ khoan đến ống chỉ trong van khí nén nằm trong khoảng từ 5 đến 15 micromet và giá trị độ nhám bề mặt Ra 0,4 µm hoặc cao hơn là tiêu chuẩn trên các van chính xác. Các luồng cổng phải tuân theo các tiêu chuẩn được công nhận — G (BSP), NPT hoặc số liệu — để đảm bảo các kết nối đáng tin cậy, không bị rò rỉ với ống mạch hoặc ống góp.
Ống chỉ: Cách thực hiện điều khiển hướng một cách máy móc
Trong phần lớn các van khí nén điều khiển hướng, ống chỉ là bộ phận điều khiển dòng chảy chính. Nó là một bộ phận hình trụ trượt dọc trục trong lỗ thân van, vị trí của nó xác định cổng nào được kết nối với nhau và cổng nào bị chặn. Đường kính ngoài của ống chỉ được gia công bằng một loạt các mặt đất - các phần hình trụ nhô cao bịt kín vào thành lỗ khoan - và các rãnh giữa các mặt đất tạo thành đường dẫn dòng chảy. Khi ống cuộn di chuyển đến một vị trí, các vùng đất sẽ chặn một số cổng nhất định trong khi các rãnh kết nối các cổng khác; khi ống cuộn chuyển sang vị trí đối diện, một tổ hợp kết nối khác sẽ được thiết lập.
Số lượng vị trí và số lượng cổng xác định chức năng của van. Van 5/2 có năm cổng và hai vị trí ống cuộn; van 5/3 có năm cổng và ba vị trí (vị trí trung tâm cung cấp trạng thái trung tính cụ thể - tâm mở, tâm đóng hoặc tâm áp suất - tùy thuộc vào cấu hình ống chỉ). Mặt cắt đất ống chỉ không chỉ đơn giản là một sự sắp xếp hình học; nó là một giải pháp được thiết kế cho các yêu cầu về trình tự dòng chảy cụ thể. Các ống cuộn được xếp chồng lên nhau (trong đó chiều rộng rãnh vượt quá chiều rộng cổng một chút) cho phép một khoảng thời gian ngắn trong đó cả cổng cấp và cổng xả được kết nối đồng thời trong quá trình di chuyển của ống chỉ, tạo ra chuyển động truyền động từ từ, mượt mà. Các cuộn chồng lên nhau (nơi đất bao phủ hoàn toàn cổng trước khi cổng tiếp theo mở ra) tạo ra một vùng chết ngắn trong quá trình chuyển số nhằm ngăn chặn áp suất tăng đột biến và được ưu tiên trong các ứng dụng trong đó việc định vị bộ truyền động chính xác là rất quan trọng.
Thiết bị truyền động điện từ: Chuyển đổi tín hiệu điện thành chuyển động cơ học
Điện từ là giao diện cơ điện giữa hệ thống điều khiển và van khí nén - nó chuyển đổi tín hiệu điện từ PLC, rơle hoặc cảm biến thành lực cơ học làm dịch chuyển ống chỉ hoặc con búp bê. Một cuộn dây điện từ bao gồm một cuộn dây đồng quấn quanh suốt chỉ, lớp vỏ thép bên ngoài tạo thành mạch từ và lõi sắt từ có thể di chuyển được gọi là pít tông hoặc phần ứng. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó sẽ tạo ra một từ trường hút pít tông về phía tâm cuộn dây, tạo ra một lực tuyến tính tác dụng lên ống cuộn hoặc cơ cấu dẫn hướng của van.
Solenoid tác động trực tiếp
Trong các van điện từ tác động trực tiếp, pít tông điện từ tiếp xúc trực tiếp và di chuyển ống cuộn hoặc con rối mà không cần bất kỳ giai đoạn thí điểm trung gian nào. Cấu hình này tạo ra thời gian phản hồi nhanh (thường là 5–20 mili giây) và có thể hoạt động ở áp suất đầu vào rất thấp - bao gồm cả thanh 0, giúp van tác động trực tiếp phù hợp với các ứng dụng chân không nơi van vận hành bằng phi công sẽ không hoạt động. Hạn chế của cuộn dây tác động trực tiếp là lực: lực từ có sẵn từ cuộn dây nhỏ gọn bị hạn chế, do đó, van tác động trực tiếp thường bị hạn chế ở kích thước lỗ nhỏ (thường lên đến DN6 hoặc DN8) và khả năng lưu lượng thấp hơn. Cố gắng sử dụng một bộ điện từ tác động trực tiếp trong van dòng chảy cao có lỗ khoan lớn sẽ cần một cuộn dây lớn không thực tế.
Solenoid vận hành thí điểm
Van điện từ do phi công vận hành sử dụng một điện từ tác động trực tiếp nhỏ để điều khiển tín hiệu không khí của phi công, từ đó dẫn động một pít-tông hoặc ống chỉ chính lớn hơn sử dụng áp suất không khí của chính hệ thống làm lực tác động. Sự sắp xếp hai giai đoạn này cho phép một cuộn dây điện từ tương đối nhỏ điều khiển các van có công suất dòng chảy lớn hơn nhiều so với khả năng truyền động trực tiếp. Sự cân bằng là yêu cầu áp suất vận hành tối thiểu - thường là 1,5 đến 3 bar - dưới đó áp suất phi công không đủ để chuyển giai đoạn chính một cách đáng tin cậy. Van vận hành bằng phi công là lựa chọn tiêu chuẩn cho các ứng dụng điều khiển hướng dòng chảy cao trong khí nén công nghiệp, nơi áp suất hệ thống luôn cao hơn ngưỡng dẫn động của phi công.
Cơ chế trả lại: Lò xo, chốt và điện từ đôi
Mỗi van định hướng khí nén phải có cơ cấu di chuyển ống chỉ đến một vị trí xác định khi tín hiệu kích hoạt bị loại bỏ. Ba cơ chế hoàn trả chính — hồi xuân, hãm và điện từ kép — mỗi cơ chế tạo ra hành vi khác nhau về cơ bản phải phù hợp với yêu cầu vận hành và an toàn của ứng dụng.
- Mùa xuân trở về: Một lò xo nén đẩy ống chỉ trở lại vị trí nghỉ xác định khi bộ điện từ bị ngắt điện. Van hồi xuân là thiết kế điện từ đơn - cung cấp năng lượng cho cuộn dây sẽ dịch chuyển ống cuộn so với lò xo; việc khử năng lượng cho phép lò xo trả lại nó. Lực lò xo phải vượt quá lực ma sát và lực dòng chảy tối đa tác động lên ống chỉ để đảm bảo độ quay trở lại đáng tin cậy trong mọi điều kiện vận hành. Van hồi lưu lò xo là lựa chọn mặc định cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp vì chúng cung cấp trạng thái không an toàn được xác định và có thể dự đoán được: khi mất nguồn điện hoặc tín hiệu điều khiển, van sẽ trở về vị trí lò xo và bộ truyền động được kết nối sẽ trở về trạng thái nghỉ.
- Trả lại tiền tạm giữ: Cơ cấu hãm sử dụng một quả bóng hoặc chốt có lò xo gắn vào các rãnh trên ống cuộn, khóa nó một cách cơ học ở vị trí sau mỗi ca mà không cần nguồn điện liên tục. Một tín hiệu nhất thời sẽ chuyển ống cuộn sang vị trí mới, nơi mà chốt giữ nó; một tín hiệu nhất thời khác sẽ dịch chuyển nó trở lại. Van hãm được sử dụng khi van phải duy trì vị trí của nó thông qua việc ngắt điện mà không quay trở lại vị trí lò xo - ví dụ, trong các cơ cấu kẹp hoặc khóa trong đó việc mất điện không làm cho kẹp nhả ra.
- Điện từ đôi: Hai cuộn dây điện từ, mỗi cái ở mỗi đầu ống, dịch chuyển nó theo hướng ngược nhau. Ống chỉ vẫn ở vị trí được lệnh cuối cùng (vị trí bộ nhớ) cho đến khi điện từ đối diện được cấp điện. Không giống như cơ cấu hãm, lực giữ được cung cấp bởi ma sát của chính ống cuộn trong lỗ khoan chứ không phải do chốt cơ học, do đó van có thể được dịch chuyển trở lại bằng một xung điện ngắn. Van điện từ đôi được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu van duy trì vị trí của nó thông qua các gián đoạn hệ thống điều khiển ngắn trong khi vẫn đáp ứng với những thay đổi được chỉ huy.
Phớt và vai trò quan trọng của chúng trong hiệu suất của van
Vòng đệm là bộ phận thường xuyên gây ra lỗi van khí nén khi sử dụng và hiểu rõ chức năng của vòng đệm cũng như lựa chọn vật liệu là điều cần thiết cho cả việc xác định van mới và chẩn đoán lỗi ở các van hiện có. Van khí nén sử dụng phốt ở nhiều vị trí, mỗi vị trí có yêu cầu cơ học khác nhau.
| Vị trí niêm phong | Loại con dấu | chức năng | Vật liệu chung |
| Đường kính ngoài của ống chỉ | Vòng chữ O hoặc vòng đệm môi | Ngăn chặn rò rỉ nội bộ từ cổng này sang cổng khác | NBR, EPDM, FKM |
| Nắp cuối / buồng thí điểm | Vòng đệm mặt chữ O | Bịt kín buồng áp suất của phi công khỏi khí quyển | NBR, silicon |
| Kết nối cổng | Chất bịt kín hoặc con dấu ngoại quan | Ngăn chặn rò rỉ bên ngoài tại các kết nối đường ống | Băng PTFE, vòng đệm ngoại quan |
| Ghế hình múa rối (van hình múa rối) | Con dấu mặt đàn hồi trên con rối | Ngắt không rò rỉ khi đóng | NBR, EPDM, polyurethane |
| Pít tông điện từ | Phớt gạt nước hoặc ống lót dẫn hướng | Ngăn chặn không khí xâm nhập vào khoang cuộn dây điện từ | PTFE, NBR |
NBR (cao su nitrile butadiene) là vật liệu bịt kín tiêu chuẩn cho khí nén công nghiệp nói chung hoạt động trong khoảng từ −20°C đến 80°C với không khí hoặc nitơ làm môi trường làm việc. EPDM được chỉ định khi van tiếp xúc với hơi nước, nước nóng hoặc một số xeton và este nhất định làm phân hủy NBR. FKM (Viton) cần thiết cho các ứng dụng nhiệt độ cao trên 100°C hoặc khi nguồn cung cấp không khí có chứa dấu vết của chất lỏng thủy lực hoặc dung môi thơm. Con dấu silicon được sử dụng trong các ứng dụng thực phẩm và dược phẩm vì silicone được chấp nhận để tiếp xúc ngẫu nhiên với thực phẩm và vẫn linh hoạt ở nhiệt độ rất thấp. Chọn sai hợp chất bịt kín là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất khiến van bị hỏng sớm - phớt bị phồng lên, cứng lại hoặc nứt, gây rò rỉ bên trong hoặc dính ống chỉ làm giảm hiệu suất của van rất lâu trước khi xảy ra hỏng hóc hoàn toàn.
Van Poppet và Van ống chỉ: Logic nội bộ khác nhau cho các ứng dụng khác nhau
Không phải tất cả các van khí nén đều sử dụng ống trượt làm bộ phận điều khiển dòng chảy chính. Van hình múa rối sử dụng một đĩa hoặc quả bóng được ép vào một chỗ ngồi có hình dạng bằng lực lò xo, với áp suất điện từ hoặc phi công nâng con múa rối ra khỏi chỗ ngồi để cho phép dòng chảy. Van hình múa rối mang lại lợi thế cơ bản so với van ống chỉ trong các ứng dụng yêu cầu rò rỉ bên trong bằng 0 hoặc gần như bằng 0 khi đóng: vòng đệm đàn hồi trên mặt hình múa rối tiếp xúc với đế kim loại với tải trọng nén, tạo ra khả năng ngắt dương mà van ống chỉ - phụ thuộc vào độ hở nhỏ phù hợp thay vì niêm phong tích cực - không thể sánh được. Điều này làm cho van poppet trở thành lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng mà ngay cả lượng rò rỉ bên trong nhỏ cũng không thể chấp nhận được, chẳng hạn như mạch giữ chân không, hệ thống kiểm soát áp suất chính xác và van tắt an toàn.
Sự đánh đổi là van poppet thường bị giới hạn ở cấu hình hai chiều (bật/tắt) hoặc ba chiều (bộ chuyển hướng). Khả năng chuyển đổi nhiều cổng của van ống chỉ - kết nối bất kỳ cổng nào với bất kỳ cổng nào khác theo một trình tự cụ thể - rất khó đạt được về mặt hình học với cơ chế hình múa rối. Hầu hết các mạch khí nén yêu cầu điều khiển hướng 4/2 hoặc 5/3 đều sử dụng van ống, trong khi van poppet được sử dụng cho các chức năng cách ly, kiểm tra và điều khiển dòng chảy chính xác trong cùng một mạch.
Các bộ phận điều khiển dòng chảy: Van kim và Van kiểm tra trong mạch
Trong khi các van điều khiển hướng xác định nơi không khí đi đến thì van điều khiển lưu lượng xác định tốc độ không khí đến đó. Van kim là bộ hạn chế lỗ có thể điều chỉnh - một kim côn mà người vận hành tiến vào hoặc rút ra khỏi ghế hình nón, thay đổi diện tích lỗ hiệu quả và do đó thay đổi tốc độ dòng chảy qua van. Trong các mạch khí nén, van kim hầu như luôn được sử dụng kết hợp với van một chiều tích hợp để tạo ra cụm điều khiển lưu lượng đồng hồ đo vào hoặc đồng hồ đo ra. Trong cấu hình đo sáng, kim hạn chế luồng không khí rời khỏi bộ truyền động trên hành trình xả của nó, kiểm soát tốc độ của bộ truyền động bằng cách điều tiết không khí mà nó phải thải ra; van một chiều đi vòng qua kim trên hành trình cung cấp để có đủ dòng chảy để kéo dài hoặc rút lại bộ truyền động ở tốc độ tối đa. Điều khiển đồng hồ đo được ưu tiên cho hầu hết các ứng dụng điều khiển tốc độ bộ truyền động công nghiệp vì nó tạo ra chuyển động mượt mà hơn, ổn định hơn dưới các tải thay đổi.
Van một chiều trong mạch khí nén đóng vai trò là cửa dòng một chiều - chúng cho phép không khí đi qua tự do theo một hướng và chặn hoàn toàn dòng chảy theo hướng ngược lại. Cơ chế van một chiều rất đơn giản về mặt cơ học: một quả bóng, đĩa hoặc hình múa rối được giữ vào ghế bằng lực lò xo, nhấc khỏi ghế bằng áp suất dòng chảy về phía trước và được gắn lại bằng lò xo cộng với áp suất ngược khi dòng chảy đảo ngược. Mặc dù đơn giản nhưng van một chiều vẫn thực hiện các chức năng quan trọng trong hệ thống khí nén: chúng duy trì vị trí bộ truyền động khi van định hướng ở trạng thái trung tính, ngăn dòng chảy ngược qua đường cung cấp thí điểm và bảo vệ các bộ phận tạo áp suất khỏi các đột biến áp suất ngược trong quá trình tắt hệ thống.
Chẩn đoán lỗi bộ phận van khí nén từ các triệu chứng
Hiểu cách hoạt động của từng bộ phận van sẽ cung cấp khung chẩn đoán cần thiết để xác định lỗi hỏng từ các triệu chứng có thể quan sát được. Hầu hết các lỗi van khí nén đều do một số ít nguyên nhân gốc rễ, mỗi nguyên nhân gây ra một kiểu triệu chứng đặc trưng.
- Ống chỉ bị dính hoặc chuyển số chậm: Thường gây ra bởi chất bôi trơn bị ô nhiễm hoặc xuống cấp trên lỗ ống cuộn, vòng đệm ống bị sưng do không tương thích hóa học hoặc ô nhiễm hạt từ không khí cấp được lọc không đủ. Dính ống chỉ tạo ra chuyển động của bộ truyền động chậm hoặc không hoàn toàn và có thể làm cho van không chuyển động được nếu lực điện từ không đủ để khắc phục ma sát tăng lên. Biện pháp khắc phục bao gồm tháo rời, làm sạch bề mặt lỗ khoan và ống chỉ, thay thế các vòng đệm nếu bị sưng và xem xét việc chuẩn bị không khí ở phía trước van.
- Rò rỉ khí liên tục ở cổng xả: Biểu thị sự rò rỉ bên trong qua lớp đệm đất của ống cuộn hoặc lỗ khoan ống cuộn bị mòn. Một lượng nhỏ rò rỉ ở khí thải có thể chấp nhận được trong nhiều ứng dụng nhưng cho thấy rằng van sắp hết tuổi thọ sử dụng. Rò rỉ đáng kể làm cho bộ truyền động được kết nối bị lệch hoặc mất vị trí khi chịu tải và cần được giải quyết bằng cách thay thế hoặc xây dựng lại van.
- Van dịch chuyển nhưng bộ truyền động không chuyển động hoặc chuyển động chậm: Chỉ ra vấn đề hạn chế dòng chảy - cổng bị chặn hoặc kích thước nhỏ, van kim điều khiển dòng chảy đóng quá xa hoặc đường cung cấp bị xoắn - chứ không phải là lỗi bên trong van. Xác minh rằng mức Cv của van phù hợp với nhu cầu dòng chảy của bộ truyền động và tất cả các kết nối bên ngoài đều rõ ràng và có kích thước chính xác.
- Điện từ có điện nhưng van không dịch chuyển: Trong van tác động trực tiếp, điều này cho thấy cuộn dây bị cháy, pít tông bị hỏng hoặc ống cuộn bị kẹt cơ học do nhiễm bẩn. Trong van do phi công vận hành, nó có thể chỉ ra rằng áp suất phi công thấp hơn mức tối thiểu cần thiết để chuyển số - kiểm tra áp suất cung cấp so với thông số áp suất phi công tối thiểu của van trước khi giả định lỗi điện từ.
- Van dịch chuyển chính xác nhưng quay trở lại chậm hoặc không hoàn toàn: Van hồi lưu lò xo quay trở lại chậm hoặc dừng ở vị trí quay trở lại hoàn toàn có lò xo hồi lưu bị yếu, vòng đệm ống có ma sát quá mức hoặc tình trạng áp suất ngược trong đường ống xả thí điểm. Xác minh rằng cổng xả thí điểm không bị hạn chế hoặc bị áp suất ngược bởi một ống xả chung hoạt động trên áp suất khí quyển.
