Van khí nén là gì? Ứng dụng, Phân loại, Ưu - Nhược điểm

Van khí nén là linh kiện quan trọng trong hệ thống khí nén, giúp phân luồng và điều tiết khí hiệu quả. Lắp đặt đúng kỹ thuật là điều kiện tiên quyết, đảm bảo hoạt động của van và hệ thống.

1. Khái niệm đúng về van khí nén

Van khí nén là thiết bị thông minh giúp phân luồng dòng khí trong hệ thống khí nén. Mục đích của van là đưa khí nén đến đúng địa chỉ, kiểm soát áp suất, lưu lượng. Đảm bảo hoạt động cơ xi lanh, động cơ, máy móc.

Tương tự như cánh cửa thông minh, chiếc van này biết đóng, mở đúng lúc. Cho phép hoặc ngăn khí đi qua theo nhu cầu của hệ thống.

Người ta sử dụng linh kiện này trong các hệ thống tự động hóa trong sản xuất ô tô, đồ điện tử, đóng gói thực phẩm.

2. 4 công dụng nổi bật của van khí nén

2.1. Phân luồng khí đến đúng vị trí cần

Điều hướng dòng khí đi đúng đường, đến đúng đích là công dụng quan trọng nhất của van nén khí.

Trong hệ thống, khí được tạo ra từ máy nén hơi luôn có áp lực lớn, đi qua nhiều đường ống. Nếu không có van, dòng khí trở nên hỗn loạn, dẫn đến mất cân bằng áp suất. Khi đó hiệu quả vận hành kém, thiết bị có thể bị hỏng hóc.

Van nén khí trong hệ thống sẽ quyết định từng luồng khí đi đâu, đi đến xi lanh hay động cơ.

2.2. Kiểm soát áp lực khí nén theo nhu cầu

Không chỉ phân luồng, van còn kiểm soát áp lực của dòng khí. Nếu khí nén tương tự như khí huyết, thì van khí nén giống như van tim, điều chỉnh nhịp điệu dòng máu, để thiết bị hoạt động ổn định.

Ví dụ, trong dây chuyền sản xuất gồm nhiều công đoạn, mỗi công đoạn đòi hỏi mức áp lực khác nhau.

Máy đóng gói chỉ cần áp lực vừa phải để kẹp, giữ sản phẩm mà không làm hỏng bao bì. Máy dập lại cần áp lực lớn, liên tục để tạo hình chính xác.

Nếu áp lực quá lớn, chi tiết dễ nứt, vỡ, hỏng hóc thì không giữ được sản phẩm, dẫn đến lỗi sản xuất. Van khí nén chính là bộ phận điều tiết, kiểm soát áp lực đúng ngưỡng cần thiết.

Việc kiểm soát áp lực đúng cũng có nghĩa luồng khí nén được sử dụng tối ưu, không thừa, thiếu.

2.3. Ngăn chặn rủi ro, hạn chế quá tải

Áp suất thường xuyên biến động trong hệ thống khí nén, có thể dẫn đến rò rỉ đường ống, hỏng hóc. Van nén khí hoạt động như 1 lá chắn an toàn, giúp kiểm soát và đảm bảo hệ thống vận hành ổn định.

Van điều tiết dòng khí tức thời, khi áp suất tăng quá ngưỡng, van ngay lập tực ngăn khí đi vào thiết bị. Khi phát hiện sự cố, bộ phận này nhanh chóng xả bớt áp suất dư thừa, đưa hệ thống về trạng thái cân bằng.

Ngoài ra, van còn có vai trò như 1 bộ lọc rủi ro gián tiếp, ngăn khí ngược làm hỏng bơm nén. Tránh rung lắc, va đập trong cơ cấu xi lanh, bảo vệ thiết bị dài hạn.

2.4. Điều tiết lưu lượng, làm chủ tốc độ

Lưu lượng khí quyết định tốc độ chuyển động của xi lanh, piston, động cơ khí. Nếu lưu lượng lớn, các cơ cấu này sẽ hoạt động nhanh, gây va chạm mạnh, rung lắc, giảm độ chính xác. Ngược lại, nếu lưu lượng quá nhỏ, thiết bị sẽ vận hành chậm chạp, kém hiệu quả.

Van khí nén là giải pháp cân bằng, giúp điều chỉnh độ mở của cửa van, tăng giảm lượng khí đi qua. Nhờ đó, tốc độ di chuyển của bộ phận chấp hành được kiểm soát theo ý muốn.

Bên cạnh đó, khả năng điều tiết lưu lượng còn giúp tăng độ chính xác trong thao tác tự động, giảm hao phí năng lượng.

3. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ứng dụng của từng loại van khí nén

3.1. Van khí nén 2/2

3.1.1. Cấu tạo

Van khí nén 2/2 là loại van cơ bản và đơn giản nhất trong họ van khí nén, gồm 2 cửa: Cửa cấp khí vào, cửa đưa khí ra, tương ứng 2 trạng thái mở (ON) và đóng (OFF).

Cấu tạo chi tiết gồm:

• Thân van: Làm từ thép/inox/nhôm chịu lực, chứa khoang dẫn khí.
• Cửa vào - cửa ra: Có các ren kết nối, đảm bảo khí đi qua không rò rỉ.
• Cơ cấu đóng/mở: Là piston/lò xo/màng chắn.
• Bộ truyền động: Là tay gạt/nút nhấn/khí nén/điện từ

3.1.2. Cách thức hoạt động

Van khí nén 2/2 hoạt động dựa trên nguyên tắc đóng - mở dòng khí. Cụ thể:

• Ở trạng thái đóng, lò xo giữ cửa van bịt kín, khí không thể đi qua. Khi nhận tín hiệu (có thể là tác động cơ/điện từ/ khí nén), cửa van mở ra, cho phép khí đi từ cửa vào sang cửa ra.
• Ở trạng thái mở liên tục, cửa van mặc định cho khí đi qua, chỉ đóng lại khi có tín hiệu tác động.

3.1.3. Ứng dụng

Van 2/2 thường được sử dụng trong những hệ thống bật/tắt khí đơn giản như:

• Cấp khí cho 1 xi lanh tác động đơn.
• Mở hoặc ngắt nguồn khí cho 1 đoạn ống.
• Dùng trong các thiết bị thổi khí, làm sạch, xả bụi.

3.2. Van khí nén 3/2

3.2.1. Cấu tạo

Van khí nén 3/2 được đặt tên theo số cửa và vị trí làm việc, đó là 3 cửa: cấp khí (P), cửa ra (A) và cửa xả (R); 2 vị trí mở - đóng (ON/OFF). Chi tiết cấu tạo:

• Thân van: Làm bằng thép/nhôm/nhựa
• Cửa kết nối: Được ký hiệu rõ ràng (P, A, R) để dễ lắp đặt.
• Cơ cấu trượt hoặc màng: Điều hướng khí giữa 3 cửa.
• Bộ truyền động: Tay gạt/nút nhấn/cần đạp chân/khí nén/cuộn điện từ.
• Lò xo hồi vị: Giúp van tự động trở về trạng thái ban đầu khi mất tín hiệu điều khiển.

3.2.2. Cách thức hoạt động

Van khí nén 3/2 hoạt động ở 2 trạng thái sau:

• Trạng thái không tác động, lò xo ở vị trí mặc định: Cửa P (cấp khí) bị chặn, trong khi cửa A (ra) thông với cửa R (xả). Xi lanh hoặc cơ cấu chấp hành đang ở trạng thái nghỉ, không nhận khí.
• Trạng thái có tác động, tay gạt/nút nhấn tác động làm van chuyển động: Lúc này cửa P thông với cửa A, dòng khí đi vào thiết bị. Đồng thời, cửa R đóng lại, ngăn khí thoát ra.

3.2.3. Ứng dụng

Van 3/2 thường được sử dụng để điều khiển xi lanh tác động đơn. Khi cần piston đẩy ra, van mở để cấp khí. Khi cần piston rút về, van ngắt cấp khí, cho dòng khí trong xi lanh xả ra ngoài qua cửa R.

Ngoài ra, van còn được dùng trong việc điều khiển các chuyển động 1 chiều của máy dập, máy đóng gói bao bì.

3.3. Van khí nén 4/2

3.3.1. Cấu tạo

Van này gồm 4 cửa: cấp khí (P), 2 cửa ra (A, B) và 1 cửa xả chung (R); 2 vị trí làm việc mở - đóng. Cấu tạo chi tiết:

• Thân van: Làm từ nhôm/thép/inox chịu lực.
• Cửa kết nối: Được thiết kế với ren tiêu chuẩn để dễ lắp ghép với ống dẫn khí.
• Cơ cấu trượt: Di chuyển qua lại bên trong thân van, quyết định đường đi của dòng khí.
• Lò xo/bộ truyền động: Giúp van chuyển đổi giữa 2 trạng thái. Truyền động có thể là cơ khí, khí nén hoặc điện từ.

3.3.2. Cách thức hoạt động

Van khí nén 4/2 hoạt động ở 2 trạng thái chính:

• Trạng thái 1: Khi cửa P thông với cửa A, khí đi vào buồng đầu xi lanh. Khi cửa B thông với cửa R, khí trong buồng còn lại của xi lanh thoát ra ngoài, piston di chuyển theo 1 chiều.
• Trạng thái 2: Khi van đổi vị trí và dòng khí đổi hướng, cửa P thông với cửa B, khí đi vào buồng kia của xi lanh. Khi cửa A thông với cửa R, khí thoát ra ngoài và piston chuyển động theo chiều ngược lại, kết thúc 1 chu trình.

3.3.4. Ứng dụng

Loại van này được dùng để điều khiển xi lanh tác động kép, nơi piston cần chuyển động tịnh tiến qua lại liên tục.

Cụ thể, trong các dây chuyền đóng gói sản phẩm, xi lanh đảm nhiệm vai trò kẹp, đẩy vật 2 chiều.

3.4. Van khí nén 5/2

3.4.1. Cấu tạo

Van khí nén 5/2 gồm 5 cửa: cửa cấp khí (P), 2 cửa ra (A, B) và 2 cửa xả (R1, R2); 2 vị trí làm việc. Cấu tạo chi tiết:

• Thân van: Bằng nhôm/thép/inox chống ăn mòn, chịu áp suất tốt.
• Cửa kết nối: Được thiết kế ren/khớp nối nhanh để gắn với ống dẫn khí.
• Cơ cấu trượt: Di chuyển qua lại trong thân, điều hướng khí đến đúng cửa.
• Bộ truyền động: Tay gạt/nút nhấn/khí nén hoặc cuộn điện từ.
• Lò xo hồi vị: Đưa van trở về trạng thái mặc định khi mất tín hiệu điều khiển.
• Bộ truyền động: có thể là tay gạt, nút nhấn, khí nén hoặc cuộn điện từ (solenoid).

3.4.2. Cách thức hoạt động

Van 5/2 làm việc theo hai trạng thái chính:

• Trạng thái 1: Khi cửa P cấp khí cho cửa A, khí đi vào một buồng xi lanh. Đồng thời, cửa B thông với R2, khí trong buồng còn lại được xả ra ngoài. Piston lúc này di chuyển 1 chiều.
• Trạng thái 2: Van đảo vị trí, cửa P cấp khí cho B, khí đi vào buồng kia của xi lanh. Cửa A thông với R1, khí thoát ra ngoài, piston di chuyển ngược lại.

3.4.3. Ứng dụng

Loại van này được dùng nhiều trong việc điều khiển khi lanh tác động kép của dây chuyền ép nhựa, hệ thống robot gắp sản phẩm.

Nhờ có 2 cửa xả riêng, tốc độ làm việc của xi lanh nhanh, chính xác, ổn định hơn nhiều so với van 4/2.

3.5. Van khí nén 5/3

3.5.1. Cấu tạo

Van khí nén 5/3 gồm 5 cửa: cửa cấp khí (P), 2 cửa ra (A, B) và 2 cửa xả (R1, R2); 3 vị trí làm việc. Cấu tạo chi tiết:

• Thân van: Làm từ hợp kim nhôm/gang/thép không gỉ.
• Cơ cấu trượt: Di chuyển trong thân, quyết định luồng khí đi theo cửa nào.
• Cơ chế điều khiển: Điều khiển điện từ (phổ biến nhất)/tay gạt/mạch điều khiển khí nén.
• Vị trí trung gian: Là một trong 3 loại: trung vị kín, trung vị xả, trung vị cấp khí.

3.5.2. Cách thức hoạt động

Van 5/3 hoạt động theo 3 trạng thái:

• Trạng thái 1: Khi cửa P cấp khí cho A, cửa B xả, piston di chuyển sang phải.
• Trạng thái 2: Cửa P cấp khí cho B, cửa A xả, piston di chuyển sang trái.
• Trạng thái 3 (trung gian): Tùy thuộc vào kiểu trung vị, xi lanh sẽ giữ nguyên vị trí hoặc xả toàn bộ áp, hoặc cấp áp hai bên.

3.5.3. Ứng dụng

Loại van này chủ yếu dùng trong hệ thống cần dừng khẩn cấp, vì có trạng thái trung vị xả. Xi lanh lập tức dừng và xả áp an toàn.

Các dây chuyền sản xuất cần giữ vị trí piston cũng dùng loại van có trung vị kín để xi lanh được cố định trong thời gian chờ.

Đối với robot công nghiệp, người ta dùng van để điều khiển các tay kẹp hoặc bộ phận di chuyển có nhiều trạng thái khác nhau.

4. Ưu điểm, hạn chế của van khí nén

4.1. Ưu điểm nổi bật

Chọn đúng van khí nén sẽ giúp doanh nghiệp nhận lại nhiều giá trị vượt trội so với các thiết bị điều khiển khác. Đó là:

• Độ chính xác cao: Van khí nén được thiết kế tối ưu cho việc đóng - mở, điều tiết luồng khí nhanh.
• Phản hồi cực nhanh: Với nguyên lý truyền động bằng khí nén, van có thể chuyển trạng thái gần như tức thì. Điều này đặc biệt quan trọng trong những dây chuyền yêu cầu tốc độ cao.
• Độ bền cao: Chất liệu hợp kim nhôm, thép không gỉ, inox rất phù hợp với môi trường sản xuất. Thêm vào đó, cấu tạo van đơn giản, ít chi tiết ma sát nên ít hư hỏng.
• Độ an toàn: So với hệ thống thủy lực (dùng dầu), van khí nén dùng khí nén sạch, không gây ô nhiễm, ít nguy cơ cháy nổ. Ưu điểm này đặc biệt quan trọng với những ngành đồ ăn, dược phẩm, y tế.
• Linh hoạt: Các loại van phong phú, dễ chọn theo nhu cầu, kích thước nhỏ, dễ lắp trong các hệ thống máy hiện đại.

4.2. Hạn chế thường gặp

Mặc dù sở hữu nhiều điểm tốt, van khí nén vẫn khó tránh khỏi một vài hạn chế sau:

• Phụ thuộc vào nguồn khí: Van chỉ hoạt động hiệu quả khí hệ thống nén khí duy trì áp suất phù hợp. Nguồn khí yếu, có tạp chất hoặc bất ổn sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu suất đóng, mở van.
• Tốn năng lượng cho việc nén khí: So với cơ cấu điện - cơ, hệ thống khí nén cần tiêu hao thêm năng lượng để tạo áp suất khí. Nếu không tối ưu tốt hệ thống, chi phí vận hành có thể cao lên.
• Yêu cầu độ khít cao: Chỉ cần gioăng, phớt hoặc điểm nối bị hở, khí nén rò rỉ và giảm áp ngay. Điều này làm mất lực điều khiển van, ảnh hưởng đến toàn bộ dây chuyền.
• Yêu cầu bảo dưỡng: Van phải được vệ sinh, tra dầu mỡ và thay thế gioăng định kỳ để đảm bảo tuổi thọ.

5. Cách dùng, lắp đặt van khí nén chuẩn kỹ thuật, tăng tuổi thọ

5.1. Cách lắp đặt van khí nén đúng kỹ thuật

Lắp đặt đúng kỹ thuật là vấn đề then chốt giúp van nén khí phát huy hiệu quả tối đa. Chỉ cần 1 van lắp sai vị trí hoặc kết nối lỏng, cả hệ thống bị giảm hiệu suất, nghẽn mạch. Dưới đây là nguyên tắc vàng Yên Phát luôn áp dụng khi lắp đặt:

• Xác định hướng dòng khí: Trên thân van thường có mũi tên chỉ chiều dòng khí, cần chú ý đặt van đúng chiều, đảm bảo khí nén đi đúng hướng.
• Chọn vị trí lắp: Là nơi khô ráo, thoáng mát, dễ thao tác, ít bụi bẩn, dầu mỡ hoặc độ ẩm cao.
• Kết nối chặt chẽ: Sử dụng ren, keo chuyên dụng hoặc vòng đệm để tăng độ kín khít. Không siết quá chặt gây nứt ren, hoặc lỏng quá gây rò rỉ khí.
• Van nằm sau hệ thống lọc: Để loại bỏ bụi, nước hoặc tạp chất, tránh tình trạng kẹt bi, kẹt trục, nâng cao tuổi thọ van.
• Kiểm tra sau lắp đặt: Trước khi đưa vào vận hành chính thức, cần chạy thử hệ thống ở áp suất thấp. Chú ý quan sát khả năng đóng, mở và tốc độ phải hồi của van và xử lý ngay nếu bất thường.

5.2. Các lưu ý trong quá trình vận hành

Van nén khí hiện đại đến đâu cũng sẽ hỏng nhanh nếu người dùng vận hành sai cách. Hãy chú ý:

• Nhà sản xuất đã quy định ngưỡng áp suất từng loại van, cần duy trì đúng để phòng ngừa tình trạng kẹt bi, nổ đường ống.
• Khí nén sạch và khô sẽ tốt cho van. Nếu chứa tạp chất, hơi nước, gioăng, trục, bi bên trong dễ bị ẩm mốc, giảm độ khít.
• Vận hành đúng quy trình, tránh sốc áp. Khi dừng hoạt động cần xả hết khí để giảm tải cho van, ngừa hư hỏng.
• Hãy lắng nghe và quan sát, nếu van có tiếng rít bất thường, phản hồi chậm hoặc rò rỉ khí cần kiểm tra ngay.

5.3. Cách bảo trì, vệ sinh định kỳ để tăng tuổi thọ

Bảo trì van nén khí giống như việc tầm soát sức khỏe, giúp xử lý sớm các dấu hiệu có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị.

• Cần thực hiện định kỳ 3 - 6 tháng/lần, tùy cường độ công việc. Nếu môi trường bẩn và ẩm ướt nên rút ngắn chu kỳ bảo dưỡng.
• Nên vệ sinh bề mặt và các chi tiết bên trong bằng cách lau sạch bụi bẩn, dầu mỡ. Với các chi tiết bên trong, cần tháo rời để làm sạch cặn bẩn, tạp chất.
• Kiểm tra độ khít của gioăng, phớt; thay thế nếu thấy nứt, vỡ, chai cứng hoặc biến dạng..

Sự hiện diện của van nén khí trong hệ thống sản xuất mang lại chu trình vận hành trơn tru đến hoàn hảo. Với khả năng tiết kiệm chi phí, độ chính xác cao, linh kiện này cho thấy rõ tầm quan trọng trong các ngành sản xuất hiện đại.