Trong nền công nghiệp hiện đại, hệ thống khí nén đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và vận hành nhiều ngành nghề như chế biến thực phẩm, đóng gói bao bì, gia công cơ khí, sơn phủ bề mặt, xử lý nước thải... Tuy nhiên, để hệ thống khí nén hoạt động ổn định, an toàn và đạt công suất tối ưu, không thể thiếu sự hiện diện của các van khí nén - "trái tim của hệ thống truyền động".
Vậy van khí nén là gì? Nó có cấu tạo và nguyên lý làm việc ra sao? Phân loại các dòng van khí nén thông dụng và ứng dụng của chúng trong thực tế? Cách lắp đặt, sử dụng và bảo trì van khí nén như thế nào để vừa đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống, vừa kéo dài tuổi thọ của thiết bị? Tất cả sẽ được làm rõ trong phạm vi bài viết này.
Van khí nén là gì?
Van khí nén là một thiết bị quan trọng, có nhiệm vụ điều khiển đóng/mở, điều chỉnh áp suất, lưu lượng, hướng dòng chảy của các chất lỏng hay chất khí trong hệ thống khí nén. Dựa vào các tín hiệu điều khiển từ bên ngoài, van có thể đóng, mở hoặc thay đổi hướng dòng chảy một cách tự động.
Nguyên liệu thường dùng để chế tạo van khí nén là đồng, inox, thép... nhờ đó van có thể chịu được áp suất, nhiệt độ môi trường hoạt động cao. Nếu được sử dụng và bảo quản đúng cách, van khí nén có tuổi thọ trung bình từ 1 đến 2 năm.
Cấu tạo chung của một van khí nén
Về cơ bản, một van khí nén tiêu chuẩn gồm các bộ phận chính là:
- Thân van: đây là phần vỏ ngoài, được gia công từ vật liệu inox hoặc đồng để tránh bị oxy hoá, ăn mòn trong quá trình làm việc. Thân van được chia làm 2 ngăn để chứa các cửa nối với hệ thống ống dẫn khí, 1 hoặc nhiều đường khí vào, ra.
- Coil điện từ: là bộ phận tạo ra từ trường, giúp nâng/hạ piston để đóng/mở van khi cấp/cắt dòng điện vào. Tuỳ vào dòng điện và điện áp làm việc của hệ thống mà ta có các loại coil khác nhau như 12V, 24V, 110V, 220V...
- Buồng, nắp trên: kết hợp với piston/màng ngăn tạo thành khoang điều khiển của van.
- Piston/màng ngăn: là bộ phận làm nhiệm vụ đóng mở, hướng dòng chảy của van theo tác động từ coil điện từ.
- Lõi giảm thanh/chống rung: có tác dụng hãm tiếng ồn, chống rung động khi van làm việc liên tục.
- Lò xo/đế van: lò xo luôn tạo một lực ép lên piston, giúp đưa van về trạng thái ban đầu sau khi coil ngắt điện. Đế van làm nhiệm vụ chống lò xo, đỡ piston.
Ngoài ra, tuỳ từng dòng van mà sẽ có thêm các phụ kiện như bộ khớp nối, giảm thanh, tấm điều khiển điện...
Vai trò, công dụng của van khí nén trong hệ thống
- Điều phối lượng khí nén cấp cho các thiết bị trong hệ thống (xylanh, bộ kẹp, cảm biến, van tỷ lệ...) hoạt động
- Điều khiển hướng dòng chảy của khí nén sao cho phù hợp với yêu cầu động học của từng thiết bị.
- Điều chỉnh lưu lượng, tốc độ dòng chảy của khí nén để kiểm soát chuyển động và vận tốc của các cơ cấu chấp hành.
- Đóng/mở khí nén, đảm bảo hệ thống làm việc và dừng theo đúng trình tự cho phép.
- Điều chỉnh áp suất khí nén đi vào hệ thống để phù hợp với áp suất làm việc của từng thiết bị cuối, tránh gây hỏng hóc.
Các loại van khí nén
1. Van khí nén 2 cửa (2/2)
Cấu tạo
Van khí nén 2/2 hay van điều khiển hướng 2 ngã có kết cấu khá đơn giản gồm thân van và coil điện. Thân van có 1 ngõ vào, 1 ngõ ra và 2 vị trí bên trong (vị trí khi có điện và vị trí khi hết điện). Coil điện có 4 loại khác nhau là 12V, 24V, 110V, 220V.
Nguyên lý hoạt động
Khi có điện, coil sẽ tạo ra từ trường, sinh lực kéo piston lên phía trên, nối thông ngõ vào và ngõ ra đồng thời cho phép dòng chảy đi qua. Khi không có điện, coil không tạo từ trường, piston chịu lực của lò xo trở về vị trí cũ, đồng thời ngắt dòng chảy. Như vậy, van 2/2 hoạt động với 2 trạng thái là đóng và mở.
2. Van khí nén 3 cửa (3/2)
Cấu tạo
Van 3/2 có cấu tạo tương tự như van 2/2 nhưng thân van được thiết kế 1 cửa vào, 2 cửa ra và 2 vị trí làm việc. Tuỳ nhu cầu sử dụng mà có loại van 2/3 1 đầu điện hay 2 đầu điện, 3/2 thường đóng hay thường mở.
Nguyên lý làm việc
Lấy ví dụ điển hình về van 3/2 thường đóng. Ở trạng thái khi không có điện, 2 cửa ra của van được thông với nhau, cửa vào đóng. Khi có điện, coil sinh từ trường, kéo piston lên, nối thông cửa vào và 1 cửa ra, cửa ra còn lại đóng. Khi không có điện, van trở về trạng thái ban đầu.
3. Van khí nén 4 cửa (4/2)
Cấu tạo
Van 4 cửa có thân van gồm 2 vị trí làm việc, 1 cửa vào, 1 cửa xả và 2 cửa làm việc nối với các xylanh hay cơ cấu chấp hành.
Nguyên lý hoạt động
Ở trạng thái không có điện, cửa vào thường thông với cửa làm việc 1, cửa làm việc 2 thông với cửa xả ra ngoài. Khi có điện, coil sinh từ trường làm piston chuyển sang vị trí kia, tạo liên kết giữa cửa vào với cửa làm việc 2 và giữa cửa xả với cửa làm việc 1. Khi hết điện, van trở lại vị trí ban đầu.
4. Van khí nén 5 cửa 2 vị trí (5/2)
Cấu tạo
Van 5/2 gồm thân van, coil điện và trục nối. Thân van gồm 1 cửa vào, 2 cửa xả, 2 cửa làm việc, 2 vị trí làm việc, thường dùng cho xylanh 2 chiều và các loại động cơ khí nén.
Nguyên lý hoạt động
- Ở trạng thái hết điện: cửa vào thông với cửa làm việc 1, cửa ra thông với cửa làm việc 2, cửa xả đóng.
- Ở trạng thái có điện: cửa vào thông với cửa làm việc 2, cửa làm việc 1 thông với cửa xả 1, cửa xả 2 đóng.
- Van 5/2 có 2 dạng là 1 đầu điện và 2 đầu điện. Van 1 đầu điện có khi có điện và trở về vị trí cũ khi hết điện. Van 2 đầu điện sẽ đảo chiều khi cấp điện 1 đầu, rồi lại đảo chiều khi cấp điện đầu còn lại.
5. Van khí nén 5 cửa 3 vị trí (5/3)
Cấu tạo
Van 5/3 có cấu hình 5 cửa và 3 vị trí làm việc khác nhau. Thân van và coil tương tự van 5/2.
Nguyên lý hoạt động
So với loại van 5/2, van 5/3 có thêm vị trí trung gian. Ở vị trí này, cửa vào và cửa xả đóng, 2 cửa làm việc được nối thông với nhau, tạo hiệu ứng khoá vị trí cho xylanh. Sự chuyển đổi giữa các trạng thái làm việc của van được điều khiển bởi bộ điều khiển tự động như timer, cảm biến áp suất/vị trí gắn trên xilanh.
Như vậy, mỗi loại van khí nén đều có cấu tạo và nguyên lý làm việc riêng, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể trong hệ thống khí nén công nghiệp.
Ứng dụng của van khí nén trong thực tế
1. Trong ngành công nghiệp thực phẩm
Van khí nén được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy chế biến thực phẩm để điều khiển các thiết bị tự động như:
- Máy chiết rót, đóng nắp chai lọ
- Bộ kẹp robot lấy/đặt sản phẩm
- Khuôn thổi chai nhựa, bao bì
- Băng tải, gầu tải vận chuyển
- Máy dán nhãn, in date sản xuất
- Cổng xoay, barie phân luồng sản phẩm...
Sử dụng van khí nén giúp tăng năng suất, chất lượng và tính ổn định của dây chuyền, đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.
2. Trong ngành nhựa, bao bì
Trong các nhà máy sản xuất nhựa và bao bì, van khí nén có mặt trong hầu hết các công đoạn như:
- Ép phun nhựa với khuôn mẫu phức tạp
- Thổi màng tạo hình sản phẩm
- Dập cắt, đột lỗ linh kiện với tốc độ cao
- Điều khiển robot lấy sản phẩm
- Điều khiển xilanh gạt phế liệu, sản phẩm lỗi
- Điều khiển cổng xoay, van dao động phân loại sản phẩm
- Điều khiển dây chuyền sơn phủ, in ấn bề mặt
Van khí nén cùng với các thiết bị điện khí nén giúp tự động hoá cao, tạo ra các sản phẩm chất lượng với giá thành cạnh tranh.
3. Trong ngành tự động hoá
Trong các hệ thống tự động hóa, van khí nén đóng vai trò như một cầu nối, dịch chuyển tín hiệu điều khiển giữa hệ thống điều khiển và các cơ cấu chấp hành như xi lanh, động cơ, bộ kẹp... nhằm thực hiện:
- Khâu cấp/ngắt nguồn khí nén cho hệ thống
- Điều khiển các chuyển động tịnh tiến của xilanh
- Tạo chuyển động quay cho động cơ khí nén
- Điều khiển các thiết bị công tác nhân công như kẹp, đẩy, nâng hạ, xoay, lật...
- Phân loại, sắp xếp linh kiện hay điều hướng sản phẩm trong dây chuyền
4. Trong ngành dược phẩm
Trong ngành công nghiệp dược, van khí nén được dùng để vận hành các thiết bị có yêu cầu tự động hóa cao như:
- Van tiệt trùng hơi, nước nóng cho các dây chuyền sản xuất
- Van định lượng dung môi, nguyên liệu cho lên men, trích ly
- Van bơm định lượng trong hệ thống chiết rót, đóng gói
- Van điều khiển cho các robot nạp/dỡ liệu trong môi trường phòng sạch
- Van khí nén trong hệ thống xử lý nước thải, khí thải công nghệ
Van khí nén được thiết kế để đáp ứng các tiêu chuẩn GMP, cGMP trong ngành dược, đảm bảo độ tin cậy và độ chính xác cao
5. Trong xử lý nước, nước thải
Trong các hệ thống xử lý nước, van khí nén giúp:
- Điều khiển các bơm màng khí nén định lượng hóa chất, huyền phù vào dòng nước thô
- Điều khiển bơm màng khí nén tách bùn, xử lý nước rỉ rác
- Điều khiển các thiết bị trộn khí cho bể khuấy, keo tụ, tạo bông
- Vận hành các van dao động, van rung, van phân phối trong các bộ lọc áp lực
- Điều khiển các bơm hóa chất vận hành tự động
Tích hợp van khí nén vào các hệ thống xử lý nước giúp giảm nhu cầu nhân lực, tự động hóa vận hành, đồng thời nâng cao chất lượng nước thải đầu ra.
Lắp đặt, vận hành và bảo trì van khí nén
1. Nguyên tắc cơ bản khi lắp đặt
- Xác định chiều của dòng chảy dựa vào mũi tên trên thân van
- Xiết chặt đầu nối đường ống khí nén vào các cửa của van, đảm bảo kín khít
- Đấu nối điện vào đúng chân coil theo sơ đồ điện, đảm bảo tiếp xúc tốt
- Khi sử dụng loại van mặt bích, cần dùng miếng đệm lót ở giữa ống và mặt bích van
- Khi sử dụng van loại lắp ren, cần dùng băng tan để bịt chặt các khe hở ở mối nối
- Dùng các phụ kiện van như bộ điều áp để đảm bảo áp lực cấp cho van không đột ngột
2. Những lưu ý khi sử dụng
- Định kỳ kiểm tra độ rò rỉ của van, xiết chặt đường ống nếu thấy hở
- Lắp đặt đồng hồ đo áp suất trên đường ống trước van để quan sát áp lực nguồn
- Đo nhiệt độ vỏ van và môi trường xung quanh, đảm bảo nằm trong giới hạn cho phép của van
- Duy trì chế độ bôi trơn cho các bộ phận chuyển động của van
- Tránh tình trạng quá tải về áp lực và nhiệt độ khi vận hành van
- Không nên điều khiển van quá nhanh làm giảm tính mượt mà của chuyển động
3. Bảo dưỡng, bảo trì định kỳ
- Vệ sinh định kỳ van để loại bỏ các chất lẫn vào gây tắc nghẽn đường khí
- Mở nắp van để bôi trơn các chi tiết của van bằng mỡ bò chuyên dụng
- Kiểm tra tình trạng coil điện từ, thay thế kịp thời nếu phát hiện hỏng hóc
- Thay thế gioăng, phốt làm kín khi thấy xuống cấp, hở van
- Đối với các loại van cỡ lớn, cần tháo mang ra để kiểm tra định kỳ 6 tháng/lần
- Dùng dầu bôi trơn đúng loại, tránh lẫn tạp chất vào đường ống gây hỏng van.
Một số câu hỏi thường gặp
-
Làm thế nào để biết van khí nén đang hoạt động tốt?
Trả lời: Các dấu hiệu của một van hoạt động tốt là không rò rỉ khí, không quá nóng, chuyển động của piston mượt mà, không gây hiện tượng dội khí mạnh. Nếu nghe thấy âm thanh bất thường hay thấy van hoạt động không đúng tín hiệu thì cần kiểm tra ngay. -
Cần kiểm tra, bảo trì van khí nén như thế nào?
Trả lời: Nên kiểm tra van định kỳ 1-2 tuần/lần. Các hạng mục kiểm tra như: kiểm tra rò rỉ van và ống nối, kiểm tra âm thanh và nhiệt độ làm việc, kiểm tra tình trạng các bộ phận, đặc biệt là màng ngăn và coil điện. Nên bôi trơn van 3-6 tháng/lần tuỳ tần suất sử dụng bằng chất bôi trơn chuyên dụng. Sau 2-3 năm, cần tháo van ra để kiểm tra toàn bộ và thay thế kịp thời các chi tiết kém chất lượng. -
Nguyên nhân và cách xử lý khi van khí nén bị kẹt hoặc hoạt động chậm?
Trả lời: Có thể do lò xo bị kẹt do mỡ cũ, côn trùng xâm nhập... Cần tháo van ra, làm sạch, tra mỡ mới. Một nguyên nhân khác là do coil điện từ bị hỏng. Khi đó cần thay coil mới. Hoặc có thể do áp lực cấp cho van quá thấp. Khi đó cần điều chỉnh lại áp suất đi vào cho đảm bảo áp lực làm việc của van.
Kết luận
Ở thời điểm hiện tại, rất khó tưởng tượng được một hệ thống khí nén tự động mà không có sự góp mặt của các van khí nén. Ngoài khả năng điều khiển trực tiếp dòng khí, các van khí nén còn mang lại những giá trị to lớn cho nền công nghiệp như:
- Nâng cao tính năng tự động hoá, giảm sự can thiệp thủ công
- Nâng cao năng suất lao động, chất lượng sản phẩm
- Đảm bảo tính an toàn, ổn định của hệ thống khí nén
- Giảm thiểu hao phí nguồn khí nén, tiết kiệm điện năng
- Giảm chi phí bảo dưỡng, sửa chữa do ít hỏng hóc
Tuy nhiên, để phát huy tối đa công dụng của van khí nén, người vận hành cần am hiểu rõ về cấu tạo, nguyên lý làm việc của từng loại van, đồng thời tuân thủ đúng các quy trình lắp đặt, vận hành và bảo trì mà nhà sản xuất khuyến cáo. Việc sử dụng loại van có chất lượng cao, phù hợp với môi trường và tải trọng hoạt động thực tế cũng là một yếu tố then chốt để hệ thống đạt hiệu quả tối ưu và an toàn.
Hy vọng bài viết tổng hợp này về van khí nén sẽ cung cấp cho bạn một cái nhìn khái quát về vai trò, chủng loại và nguyên lý hoạt động của loại thiết bị thiết yếu này trong công nghệ khí nén. Nếu còn bất kỳ thắc mắc nào, đừng ngại trao đổi thêm với các chuyên gia của Công ty CP Khoa học công nghiệp Đại nam để được tư vấn kỹ hơn về van nói riêng và các giải pháp tự động hóa công nghiệp nói chung nhé.
