Khi một xi lanh khí nén di chuyển quá nhanh hoặc gặp khó khăn với chuyển động trượt, giải pháp thường nằm ở việc lựa chọn và lắp đặt van điều khiển lưu lượng thích hợp. Van điều khiển lưu lượng khí nén điều chỉnh lưu lượng khí nén để kiểm soát tốc độ của bộ truyền động, điều này rất cần thiết cho bất kỳ hệ thống tự động nào yêu cầu thời gian chuyển động chính xác. Không giống như các loại van thủy lực, các van này phải xử lý động lực học chất lỏng có thể nén trong đó tỷ lệ áp suất và điều kiện dòng âm thanh thay đổi cơ bản các đặc tính điều khiển.
Van điều khiển lưu lượng khí nén hoạt động như thế nào
Chức năng cơ bản liên quan đến việc tạo ra một hạn chế thay đổi trong đường dẫn khí. Khi khí nén đi qua lỗ bị thu hẹp, năng lượng áp suất chuyển thành động năng, tạo ra sự sụt giảm áp suất làm giảm tốc độ dòng chảy xuôi dòng. Nhưng khí nén hoạt động khác với chất lỏng không nén được, gây ra sự phức tạp ảnh hưởng đến độ ổn định của bộ điều khiển.
Khi không khí chảy qua một điểm hạn chế, mối quan hệ giữa áp suất ngược dòng ($P_1$) và áp suất xuôi dòng ($P_2$) sẽ xác định chế độ dòng chảy. Ở mức giảm áp suất vừa phải, lưu lượng tăng tỷ lệ thuận với chênh lệch áp suất. Tuy nhiên, khi tỷ lệ áp suất $P_2/P_1$ giảm xuống dưới giá trị tới hạn (thường là khoảng 0,528 đối với không khí), tốc độ dòng chảy tại cổ họng sẽ đạt đến tốc độ âm thanh cục bộ. Tình trạng này, được gọi là dòng chảy bị nghẹt hoặc dòng âm, thể hiện một giới hạn cơ bản.
Trong trường hợp dòng chảy bị nghẹt, việc giảm thêm áp suất ở hạ lưu sẽ không còn làm tăng tốc độ dòng chảy khối nữa. Dòng chảy đã "tăng tối đa" một cách hiệu quả ở tốc độ âm thanh qua kích thước lỗ đó. Hiện tượng vật lý này mang lại sự ổn định vốn có trong hệ thống khí nén.
Tiêu chuẩn đánh giá dòng chảy ISO 6358Giá trị Cv thủy lực truyền thống không phù hợp với các ứng dụng khí nén vì chúng dựa trên dòng nước không nén được. Tiêu chuẩn ISO 6358 giải quyết vấn đề này bằng hai tham số:
- Độ dẫn âm (C):Công suất dòng chảy tối đa trong điều kiện nghẹt thở, được biểu thị bằng dm³/(s·bar).
- Tỷ số áp suất tới hạn (b):Điểm chuyển tiếp giữa dòng chảy cận âm và dòng âm (thường là 0,2 đến 0,5).
Các phương trình dòng chảy dựa trên các tham số này là:
Đối với luồng bị nghẹt khi $P_2/P_1 \le b$:
$$ Q = C \cdot P_1 \cdot K_t $$Đối với dòng chảy cận âm khi $P_2/P_1 > b$:
$$ Q = C \cdot P_1 \cdot K_t \cdot \sqrt{1 - \left(\frac{\frac{P_2}{P_1} - b}{1 - b}\right)^2} $$Trong đó $K_t$ là hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ.
Cấu trúc và linh kiện bên trong
Bộ điều khiển tốc độ điển hình kết hợp hai chức năng trong một thân máy nhỏ gọn: van tiết lưu và van kiểm tra hướng.
Vật liệu thân van:Sự lựa chọn phụ thuộc vào môi trường. Đồng thau mạ niken phục vụ nhu cầu chung của nhà máy, trong khi nhôm anod hóa giúp giảm trọng lượng. Thép không gỉ (304/316) rất cần thiết cho các khu vực rửa trôi và nhựa kỹ thuật (PBT) cung cấp các giải pháp nhẹ, tiết kiệm chi phí.
Thiết kế van kim:Thiết kế chất lượng cao sử dụng các ren có bước nhỏ (10-15 vòng quay) để điều khiển chính xác trong phạm vi 10-50 mm/s. Góc côn ảnh hưởng đến đường cong đặc tính—độ côn tuyến tính mang lại những thay đổi tỷ lệ, trong khi độ côn có tỷ lệ phần trăm bằng nhau mang lại khả năng kiểm soát tốt hơn ở các khe hở thấp.
Kiểm tra cấu hình van:Van kiểm tra tích hợp cho phép dòng chảy tự do ngược lại. Các loại phớt môi nhỏ gọn nhưng có thể rò rỉ ở áp suất thấp; các loại bóng hoặc hình múa rối giúp ngắt chặt hơn nhưng cần nhiều không gian hơn.
Chiến lược kiểm soát đồng hồ đo vào và ra
Vị trí lắp đặt ảnh hưởng cơ bản đến hoạt động của hệ thống. Sự khác biệt này gây ra nhiều vấn đề hơn bất kỳ khía cạnh nào khác của điều khiển dòng khí nén.
Kiểm soát đồng hồ đo (Hạn chế xả)Trong cấu hình này, van một chiều cho phép dòng chảy tự do vào xi lanh trong khi kim hạn chế khí thải thoát ra khỏi buồng đối diện. Nguyên lý làm việc tạo ra đệm áp lực. Khi piston di chuyển, khí thải tạo ra áp suất ngược, cải thiện độ cứng và chống trượt.
Kiểm soát đồng hồ đo (Hạn chế nguồn cung)Ở đây kim hạn chế không khí đi vào trong khi lỗ thoát khí thoát ra tự do. Điều này thường dẫn đến chuyển động không ổn định ("giật") vì áp suất buồng cung cấp giảm khi thể tích tăng, khiến piston dừng lại cho đến khi áp suất phục hồi.
"Nếu nghi ngờ, hãy đo ra." Đồng hồ đo ra là lựa chọn mặc định cho xi lanh tác động kép. Chỉ nên dành riêng đồng hồ đo cho các xi lanh tác động đơn (lò xo hồi vị) hoặc các ứng dụng khởi động mềm cụ thể.
| đặc trưng | Đồng hồ đo (Xả) | Đồng hồ đo vào (Cung cấp) |
|---|---|---|
| Độ mượt của chuyển động | Tuyệt vời (ngăn ngừa trơn trượt) | Kém (dễ bị giật) |
| Xử lý tải | Giảm xóc tốt cho tải quá mức | Nguy cơ chạy trốn với tải trọng trọng lực |
| Ổn định tốc độ | Cao (hiệu ứng đệm) | Thay đổi (phụ thuộc vào nguồn cung) |
| Ứng dụng tốt nhất | Xi lanh tác động kép | Xi lanh tác dụng đơn |
Quá trình lựa chọn và định cỡ van
Việc định cỡ phù hợp sẽ ngăn cản các van có kích thước nhỏ làm hạn chế lực truyền động và các van quá khổ làm hy sinh độ phân giải điều khiển tốc độ.
Bắt đầu bằng cách tính toán lưu lượng yêu cầu dựa trên thông số kỹ thuật của xi lanh:
$$ Q = \frac{A \cdot L \cdot 60}{t} $$Trong đó $A$ là diện tích piston (cm2), $L$ là chiều dài hành trình (cm) và $t$ là thời gian hành trình (giây).
Giảm áp suất:Hạn chế giảm áp suất qua van ở mức 0,5-1,0 bar ở lưu lượng định mức. Giọt cao hơn lãng phí năng lượng; mức giảm cực thấp cho thấy van quá khổ với độ phân giải kém.
Cài đặt và khắc phục sự cố
Lắp đặt van điều khiển lưu lượng càng gần cổng xi lanh càng tốt. Các ống chạy dài tạo ra thể tích có thể nén được, hoạt động như một lò xo không khí, phản ứng suy giảm.
Điều chỉnh ban đầu:Bắt đầu với kim mở 3-4 lượt. Nếu xảy ra hiện tượng trượt dính, hãy kiểm tra việc kiểm soát đồng hồ đo. Nếu chuyển động quá nhanh, hãy đóng dần dần theo từng phần tư lượt.
| triệu chứng | Nguyên nhân có thể xảy ra | Giải pháp |
|---|---|---|
| Chuyển động giật (dính trượt) | Kiểm soát đồng hồ đo trên xi lanh tác động kép | Cấu hình lại để đo hết |
| Tốc độ thay đổi giữa hành trình | Biến động áp lực cung cấp | Cài đặt bộ điều chỉnh chuyên dụng |
| Không kiểm soát tốc độ | Ô nhiễm hoặc kim bị gãy | Kiểm tra bộ lọc; thay van |
| Xi lanh trôi sau khi dừng | Kiểm tra rò rỉ bên trong van | Thay van; kiểm tra ô nhiễm |
Tuổi thọ bảo trì và dịch vụ
Van điều khiển lưu lượng khí nén được coi là bộ phận ít cần bảo trì nhưng việc kiểm tra thường xuyên sẽ ngăn ngừa những hư hỏng không mong muốn.
Trong điều kiện công nghiệp bình thường với không khí được lọc thích hợp (tối thiểu 40 micron), van chất lượng sẽ mang lại5-10 nămcủa cuộc sống phục vụ.
Các yếu tố làm giảm sự sống:
- Nguồn cung cấp không khí bị ô nhiễm (giảm một nửa tuổi thọ con dấu)
- Nhiệt độ cực cao vượt quá xếp hạng con dấu
- Điều chỉnh mạnh gây mòn chỉ
- Tiếp xúc với hóa chất (yêu cầu Thép không gỉ/FKM)
Khi các hệ thống công nghiệp phát triển, điều khiển lưu lượng khí nén sẽ thích ứng bằng cách kết hợp các cảm biến và kết nối mạng. Trong khi các bộ truyền động điện mới nổi mang lại độ chính xác, thì khí nén vẫn vượt trội hơn cho các ứng dụng tốc độ cao, hành trình ngắn, môi trường dễ nổ và môi trường rửa trôi, nơi cần có khả năng chịu quá tải mạnh mẽ.
