Hiện tượng búa nước trong hệ thống van khí nén nên được xem là một triệu chứng, không phải một kết luận chẩn đoán. Tiếng va mạnh khi van chuyển trạng thái có thể bắt nguồn từ quá độ áp suất khí nén, áp suất ngược đường xả, xi lanh va vào nắp cuối hoặc nước ngưng dạng lỏng di chuyển qua một điểm thấp. Mỗi cơ chế đòi hỏi biện pháp khắc phục khác nhau.
Cách an toàn nhất là ghi lại áp suất ở cả hai phía của vị trí nghi bị hạn chế, đồng thời quan sát lệnh van, vị trí xi lanh và trạng thái xả. Sau đó giảm tốc độ giải phóng năng lượng ngay tại nơi tạo ra sự kiện. Không nên chỉ dựa vào tiếng ồn để chọn van xả áp, bình tích khí hoặc van điều khiển hướng lớn hơn.
Điểm chính cần ghi nhớ
- Phân biệt bốn dạng sự cố trước khi thay đổi phần cứng: quá độ áp suất khí, hạn chế đường xả, va đập cơ khí cuối hành trình và chuyển động của nước ngưng.
- ISO 4414 đề cập các mối nguy đáng kể trong hệ thống khí nén và vẫn còn hiệu lực sau lần xác nhận năm 2021.
- Đo áp suất động tại van và cơ cấu chấp hành. Đồng hồ áp suất tĩnh có chỉ số bình thường vẫn có thể che khuất vị trí hạn chế thực tế.
- Kiểm soát gia tốc, lưu lượng xả và giảm chấn như các phần phối hợp của cùng một mạch.
Vị trí và thời điểm xuất hiện biến đổi áp suất đầu tiên hữu ích hơn vị trí phát ra âm thanh lớn nhất. Xung áp phía cấp bắt đầu khi van chuyển trạng thái thường hướng đến quá trình nạp và độ dẫn lưu của van. Áp suất buồng tăng ngay trước khi piston đến cuối hành trình thường liên quan đến giảm chấn hoặc hạn chế đường xả. Tiếng va sau khi xả nước hoặc khi khởi động lúc trời lạnh làm tăng khả năng có nước ngưng.
Đó có thực sự là búa nước không?
ISO 4414:2010 đề cập các mối nguy đáng kể trong hệ thống truyền động khí nén và áp dụng cho việc thiết kế, chế tạo, sửa đổi, điều chỉnh và bảo trì hệ thống. Tiêu chuẩn này được xác nhận năm 2021 và vẫn còn hiệu lực (ISO 4414). Phạm vi đó củng cố cách chẩn đoán ở cấp hệ thống thay vì coi mọi sự kiện áp suất là búa nước chất lỏng điển hình.
Búa nước điển hình là một quá độ thủy lực do vận tốc của cột chất lỏng thay đổi nhanh. Khí nén có đặc tính khác vì có thể nén được, đồng thời mạch khí nén gồm van, thể tích buồng thay đổi, hạn chế đường xả và tải chuyển động. Cụm từ “búa nước khí nén” thường được dùng tại xưởng, nhưng quá độ áp suất khí nén thường chính xác hơn khi không có khối chất lỏng.
Hãy dùng cách phân loại bốn nhóm sau trước khi chọn biện pháp xử lý:
| Sự kiện quan sát được | Cơ chế có khả năng xảy ra | Phép đo đầu tiên phù hợp nhất | Hướng khắc phục điển hình |
|---|---|---|---|
| Áp suất thay đổi ngay khi có lệnh van | nạp nhanh hoặc quá độ do van chuyển trạng thái | áp suất tại cửa vào van và cửa làm việc | kiểm tra độ dẫn lưu của van, tốc độ nạp, thể tích ống và trình tự chuyển mạch |
| Áp suất tăng trong buồng đang xả | áp suất ngược đường xả | áp suất tại cửa xả xi lanh và cửa xả van | kiểm tra bộ giảm thanh, đường xả manifold, điều khiển tiết lưu xả và cách đi ống |
| Tiếng va xảy ra tại điểm cuối hành trình cơ khí | khối lượng chuyển động vượt quá khả năng giảm chấn hiện có | tốc độ và hành trình giảm chấn còn lại | giảm tốc độ hoặc năng lượng; xác minh năng lực của giảm chấn hoặc bộ hấp thụ va đập |
| Sự kiện xuất hiện sau khi xả nước, đóng băng hoặc có dấu hiệu khí ẩm | nước ngưng di chuyển trong mạch | điểm sương, bộ xả nước, điểm thấp và tình trạng bộ tách | khắc phục xử lý khí và thoát nước trước khi tinh chỉnh chuyển động |
Một hệ thống có thể đồng thời thuộc nhiều nhóm. Ví dụ, van quá lớn có thể làm xi lanh tăng tốc nhanh trong khi bộ giảm thanh đường xả bị tắc làm tăng áp suất ngược. Chỉ xử lý bộ giảm thanh có thể làm lộ rõ vấn đề va đập cuối hành trình vốn đã tồn tại.
Chẩn đoán quá độ áp suất khí nén
Quy định của OSHA về năng lượng nguy hiểm áp dụng cho cả năng lượng khí nén; 29 CFR 1910.147(d)(5) yêu cầu năng lượng tích trữ hoặc năng lượng dư phải được giải phóng, ngắt kết nối, kiềm giữ hoặc đưa về trạng thái an toàn bằng biện pháp khác trước khi bảo dưỡng (OSHA). Vì vậy, việc lắp thiết bị đo và di chuyển cảm biến phải nằm trong quy trình kiểm soát năng lượng của máy, không phải một thao tác điều chỉnh tạm thời khi hệ thống đang hoạt động.
Sau khi lắp đặt an toàn, hãy đo áp suất trong lúc sự kiện diễn ra thay vì dựa vào đồng hồ trên bộ điều áp. Một phép thử hữu ích ghi lại các tín hiệu sau trên cùng một trục thời gian:
- lệnh van hoặc tín hiệu phản hồi con trượt
- áp suất tại cửa cấp của van
- áp suất tại cửa xi lanh đang hoạt động
- áp suất trong buồng đang xả hoặc khoang xả chung
- vị trí xi lanh hoặc trạng thái cảm biến cuối hành trình
Đặt cảm biến gần vị trí nghi bị hạn chế. Ống thử dài làm tăng thể tích và có thể làm sai lệch một sự kiện nhanh. Sử dụng bộ chuyển đổi áp suất, đầu nối, cấp áp suất và thiết lập thu thập dữ liệu phù hợp với áp suất dự kiến của mạch và thời lượng sự kiện. Tốc độ lấy mẫu cần thiết phải được xác định theo quá độ cần phân giải, không theo một quy tắc kinh nghiệm chung.
Thực hiện phép so sánh có kiểm soát. Giảm tốc độ theo lệnh, tháo một hạn chế đường xả đã biết khi bảo đảm an toàn hoặc chỉ vận hành từng trạm van. Mỗi lần thử chỉ thay đổi một biến. Nếu sự kiện áp suất dịch chuyển hoặc biến mất theo thay đổi đó, kết quả này có giá trị hơn một giá trị đỉnh đơn lẻ.
Hướng dẫn về áp suất ngược trong hệ thống khí nén giải thích vì sao đường xả chung, bộ giảm thanh hoặc đường hồi quá nhỏ có thể ảnh hưởng đến nhiều cơ cấu chấp hành. Có thể dùng công cụ dưới đây để sàng lọc tổn thất đường ống ở trạng thái ổn định, nhưng không được xem kết quả là dự báo áp suất đỉnh quá độ.
Những thay đổi nào về van và điều khiển lưu lượng giúp giảm xung va?
Hướng dẫn kỹ thuật AS-R/AS-Q của SMC so sánh hai cách bố trí mạch và cảnh báo rằng điều khiển tiết lưu xả có thể khiến xi lanh duỗi ra đột ngột khi không có khí nén hoặc áp suất phía xả quá thấp (hướng dẫn SMC AS-R/AS-Q). Vì vậy, kích thước van, phương pháp điều khiển tốc độ và trạng thái khởi động lại phải được xem xét cùng nhau.
Trước tiên, hãy kiểm tra dữ liệu lưu lượng thực tế của van, không chỉ cỡ ren. Kích thước cửa không cho biết tiết diện nhỏ nhất của đường dẫn con trượt, khoang manifold, lỗ đầu nối hoặc hạn chế của bộ giảm thanh. So sánh lưu lượng quá độ cần thiết với Cv, Kv, độ dẫn âm hoặc đường cong lưu lượng thử nghiệm của nhà sản xuất. Hướng dẫn tính chọn van theo Cv và hướng dẫn về độ dẫn âm trình bày hai phương pháp định mức này.
Sau đó kiểm soát cách từng buồng cơ cấu chấp hành được nạp và xả:
- Dùng điều khiển tiết lưu xả khi tải và mạch cần lực hãm ổn định ở phía xả, đồng thời kiểm tra trạng thái khởi động lại.
- Chỉ cân nhắc điều khiển tiết lưu cấp sau khi đánh giá hướng tải, quán tính, ngoại lực và đặc tính giảm chấn.
- Dùng chức năng khởi động mềm hoặc tăng áp tuần tự khi quá trình khởi động lại an toàn đòi hỏi tái tăng áp có kiểm soát.
- Vận hành tuần tự các trạm van có nhu cầu lưu lượng cao thay vì nạp đồng thời nhiều thể tích lớn.
- Không thay van đã được tính chọn đúng bằng van lớn hơn chỉ để xi lanh chạy nhanh hơn.
Phần so sánh điều khiển tiết lưu cấp và tiết lưu xả đặc biệt phù hợp khi tải thẳng đứng hoặc tải kéo vượt có thể tự tăng tốc độc lập với lưu lượng khí cấp.
Thời gian chuyển mạch dài hơn có thể giải quyết mọi vấn đề không? Không. Biện pháp này có thể giảm một nguồn kích thích, nhưng không thể làm thông bộ giảm thanh bị tắc, hấp thụ năng lượng chuyển động dư thừa, xả nước ngưng hoặc làm cho trình tự khởi động lại không an toàn trở nên chấp nhận được. Hãy xác nhận cơ chế trước khi chỉ định van chậm hơn hoặc bổ sung tiết lưu ngoài.
Khi nào áp suất ngược đường xả trở thành vấn đề chính?
Sản phẩm JASV của SMC kết hợp van xả nhanh và van tiết lưu để vận hành xi lanh tốc độ cao, cho thấy xả cục bộ và điều khiển tốc độ là hai chức năng riêng biệt đôi khi cần được phối hợp (SMC JASV). Van xả nhanh là một phần tử mạch, không phải giải pháp chung cho mọi xung va khí nén.
Khả năng có áp suất ngược đường xả tăng cao khi áp suất vẫn còn trong buồng lẽ ra đang xả, chuyển động thay đổi khi tháo bộ giảm thanh hoặc nhiều trạm trên manifold gây ảnh hưởng lẫn nhau qua đường xả chung. Kiểm tra toàn bộ tuyến: cửa xi lanh, bộ điều chỉnh lưu lượng, ống, van điều khiển hướng, khoang manifold, bộ giảm thanh và cửa thông gió của tủ.
Van xả nhanh có thể rút ngắn khoảng cách từ cơ cấu chấp hành đến khí quyển. Nó cũng có thể làm giảm áp nhanh hơn và tăng tốc độ xi lanh. Nếu khối lượng chuyển động sau đó đến nắp cuối với động năng lớn hơn, tiếng va có thể nghiêm trọng hơn dù áp suất ngược trong buồng đã giảm. Hãy kiểm tra lại tốc độ và khả năng giảm chấn sau khi lắp.
Thực hiện theo trình tự quyết định sau:
- Đo áp suất tại cửa xả trong khi chuyển động.
- Kiểm tra nhiễm bẩn và lưu lượng định mức của bộ giảm thanh.
- Kiểm tra xem nhiều van có dùng chung một khoang xả quá nhỏ hay không.
- Xác nhận hướng lắp và mức điều chỉnh của bộ điều khiển lưu lượng.
- Chỉ đánh giá phương án xả nhanh cục bộ sau khi hoàn thành bước 1 đến bước 4.
- Thử lại tốc độ xi lanh, va đập cuối hành trình và trạng thái giảm áp an toàn.
Hướng dẫn về van xả nhanh giải thích chi tiết hơn về vị trí lắp và hoạt động pilot.
Làm thế nào để ngăn va đập cuối hành trình?
Bảng dữ liệu hiện hành của xi lanh Festo ADNGF-80-25 nêu năng lượng va đập cuối hành trình cho phép là 8 J và chiều dài giảm chấn là 7,5 mm đối với đúng cấu hình đó (bảng dữ liệu Festo). Các giá trị này chỉ áp dụng cho model cụ thể, nhưng minh họa vì sao khả năng giảm chấn phải được kiểm tra theo khối lượng chuyển động, tốc độ và xi lanh đã chọn.
Năng lượng va đập của xi lanh tăng theo bình phương tốc độ:
động năng = 0,5 x khối lượng chuyển động x tốc độ^2Tăng gấp đôi tốc độ tạo ra động năng lớn gấp bốn lần trước khi xét các ảnh hưởng khác. Quan hệ này giải thích vì sao một điều chỉnh nhỏ đối với van hoặc bộ điều khiển lưu lượng có thể làm thay đổi mạnh va đập cuối hành trình. Nó cũng cho thấy van xả áp không thể thay thế bộ giảm chấn được tính chọn đúng.
Tuân thủ phương pháp điều chỉnh của nhà sản xuất xi lanh. Với giảm chấn khí nén có thể điều chỉnh, bắt đầu ở tốc độ thận trọng và tinh chỉnh từng đầu một. Xác nhận piston hoàn tất hành trình mà không nảy lại, kẹt dừng hoặc va vào cữ chặn ngoài. Tải nặng hoặc tốc độ cao có thể cần bộ hấp thụ va đập ngoài hoặc cơ cấu chấp hành kích thước khác thay vì tăng tiết lưu tại vít giảm chấn.
Dùng hướng dẫn giảm chấn xi lanh để phân biệt giảm chấn khí có thể điều chỉnh, đệm elastomer và bộ hấp thụ va đập ngoài.
Nước ngưng có thể tạo ra sự kiện khối chất lỏng thực sự không?
ISO 8573-1:2010 phân loại độ tinh khiết của khí nén theo ba nhóm chất nhiễm bẩn chính: hạt, nước và dầu (ISO 8573-1). Vì vậy, nước là một chất nhiễm bẩn khí nén được quy định, không chỉ là vấn đề bất tiện trong bảo trì. Chất lỏng có thể tích tụ khi khí nguội xuống dưới điểm sương áp suất hoặc khi bộ xả nước và bộ tách bị hỏng.
Nước ngưng làm thay đổi nhánh chẩn đoán. Nước đọng tại điểm thấp, trong ống mềm, manifold hoặc đầu nối bình tích khí có thể di chuyển khi van mở. Sự kiện này không tương đương với quá độ áp suất của khí khô, và điều chỉnh bộ điều khiển tốc độ sẽ không loại bỏ được nguồn gây ra nó.
Kiểm tra các vị trí sau:
- bộ làm mát sau, bộ tách, máy sấy, bộ lọc và bộ xả nước tự động
- điểm thấp và đoạn ống cụt trong đường ống phân phối
- nhánh hướng xuống không có khả năng thoát nước hiệu quả
- vùng lạnh nơi khí nén bị giảm nhiệt độ
- cửa xả van có nước, băng hoặc ăn mòn tái diễn
Ghi lại điểm sương áp suất yêu cầu tại điểm sử dụng và so sánh với nhiệt độ thấp nhất mà hệ thống hạ lưu có thể đạt đến. Mục tiêu phù hợp phụ thuộc vào quy trình và môi trường. Hướng dẫn tiêu chuẩn ISO về chất lượng khí nén giải thích cách quy định yêu cầu đối với hạt, nước và dầu mà không phỏng đoán một cấp chung cho mọi ứng dụng.
Không mở bộ xả nước hoặc đầu nối đang chịu áp để chứng minh có nước. Cô lập hệ thống, giải phóng năng lượng khí nén tích trữ, xác minh trạng thái không năng lượng và tuân thủ quy trình xả nước của nhà sản xuất thiết bị.
Quy trình giảm thiểu an toàn
OSHA 29 CFR 1910.147 yêu cầu xác minh việc cô lập và loại bỏ năng lượng đã hoàn tất trước khi bắt đầu bảo dưỡng, còn ISO 4414 đề cập các mối nguy trong thiết kế, điều chỉnh và bảo trì hệ thống khí nén (OSHA; ISO 4414). Một thay đổi van đúng về kỹ thuật vẫn cần quy trình cô lập, chạy thử và nghiệm thu có hồ sơ.
Thực hiện quy trình sau:
- Xác định sự kiện. Ghi lại thời điểm xuất hiện tiếng va, thay đổi áp suất hoặc chuyển động bất thường so với lệnh van và hành trình.
- Bảo đảm phép đo an toàn. Cô lập năng lượng trước khi lắp bộ chuyển đổi áp suất, đầu nối hoặc đường thử tạm thời có định mức phù hợp.
- Thu thập dữ liệu động. Đo áp suất cấp, cửa làm việc, buồng và đường xả trên cùng một trục thời gian.
- Phân loại cơ chế. Chọn quá độ khí, áp suất ngược đường xả, va đập cuối hành trình, nước ngưng hoặc tổ hợp nhiều cơ chế.
- Áp dụng một thay đổi có mục tiêu. Điều chỉnh lưu lượng, làm thông hạn chế đường xả, sửa trình tự vận hành, hiệu chỉnh giảm chấn hoặc sửa hệ thống thoát nước.
- Thử lại toàn bộ phạm vi vận hành. Bao gồm tải thực tế, điều kiện cấp tối thiểu và tối đa, khởi động lại, dừng khẩn cấp và nhu cầu đồng thời của nhiều van.
- Cố định thiết lập đã được chấp nhận. Ghi lại model van, số vòng hoặc mức cài đặt bộ điều khiển lưu lượng, loại bộ giảm thanh, cài đặt giảm chấn, đồ thị áp suất và chu kỳ kiểm tra.
Một biện pháp khắc phục thành công phải loại bỏ cơ chế gây sự cố, không chỉ làm giảm âm thanh. Âm thanh nhỏ hơn nhưng không xác minh áp suất và chuyển động có thể che giấu va đập cuối hành trình chậm hơn nhưng vẫn gây hư hại, trạng thái xả không ổn định hoặc năng lượng tích trữ vẫn còn sau khi tắt máy.
Câu hỏi thường gặp
Búa nước có thể xảy ra trong hệ thống khí nén không có nước lỏng không?
Mạch khí nén khô có thể tạo ra quá độ áp suất, giảm áp nhanh, áp suất ngược đường xả và va đập cơ khí. Gọi tất cả các hiện tượng này là “búa nước” tuy thuận tiện nhưng không chính xác. Hãy xác nhận có chất lỏng hay không, sau đó dùng dữ liệu áp suất và chuyển động đồng bộ để xác định cơ chế thực tế trước khi chọn phần cứng.
Van điều khiển hướng lớn hơn có ngăn được búa nước khí nén không?
Không mặc nhiên. Đường dòng hiệu dụng lớn hơn có thể giảm hạn chế ở trạng thái ổn định, nhưng cũng có thể nạp cơ cấu chấp hành nhanh hơn và làm tăng gia tốc. So sánh lưu lượng yêu cầu với dữ liệu Cv, Kv hoặc độ dẫn âm, sau đó xác minh áp suất buồng, tốc độ xi lanh, trạng thái tải, năng lực xả và giảm chấn trong điều kiện vận hành thực tế.
Van xả nhanh có loại bỏ xung áp suất không?
Van xả nhanh có thể rút ngắn đường xả và giảm áp suất ngược trong buồng. Nó cũng có thể làm tăng tốc độ cơ cấu chấp hành và tốc độ giảm áp. Trước tiên hãy đo hạn chế đường xả hiện hữu, chỉ lắp thiết bị gần cơ cấu chấp hành khi có căn cứ, rồi thử lại tốc độ, va đập cuối hành trình, tiếng ồn và trạng thái xả an toàn.
Bình tích khí có thể hấp thụ quá độ áp suất khí nén không?
Bình tích khí có thể đệm nhu cầu cấp khí khi được tính chọn và bố trí đúng, nhưng không phải bộ triệt quá độ dùng được cho mọi trường hợp. Nó có thể hầu như không ảnh hưởng đến hạn chế cục bộ trên đường xả hoặc va đập xi lanh. Hãy mô hình hóa thể tích và đường dòng liên quan, xác minh các yêu cầu an toàn áp dụng cho bình và đo lại mạch sau khi lắp.
Bộ phận bảo trì cần kiểm tra gì khi tiếng va đập lặp lại bắt đầu xuất hiện?
Kiểm tra áp suất động tại van và cơ cấu chấp hành, nhiễm bẩn bộ giảm thanh, áp suất ngược đường xả chung, hướng lắp bộ điều khiển tốc độ, giảm chấn xi lanh, giá lắp bị lỏng, bộ xả nước, bộ tách và các điểm thấp. Trước khi mở mạch, hãy tuân thủ quy trình kiểm soát năng lượng tại cơ sở và xác minh rằng năng lượng khí nén cùng cơ năng tích trữ đã được đưa về trạng thái an toàn.
Nguồn tham khảo
- ISO 4414:2010, Truyền động khí nén, quy tắc chung và yêu cầu an toàn
- ISO 8573-1:2010, Chất nhiễm bẩn trong khí nén và các cấp độ tinh khiết
- Hướng dẫn của OSHA về năng lượng nguy hiểm theo 29 CFR 1910.147
- Hướng dẫn kỹ thuật SMC AS-R/AS-Q về tiết lưu cấp và tiết lưu xả
- Bộ điều khiển tốc độ và xả SMC JASV
- Dữ liệu kỹ thuật xi lanh Festo ADNGF