Hệ số lưu lượng van (Cv) trở nên quan trọng khi van hạn chế lượng khí cần để hoàn tất chuyển động đúng thời gian. Tuy nhiên, xi lanh chạy chậm không chứng minh rằng van bị chọn quá nhỏ. Trước khi thay van, hãy tính nhu cầu của cơ cấu chấp hành, kiểm tra cả đường cấp và đường xả, đồng thời đo áp suất khi xi lanh đang chuyển động.
Hướng dẫn này tập trung vào việc chẩn đoán hệ thống sau khi lắp đặt. Để tìm hiểu định nghĩa Cv, chuyển đổi Cv sang Kv và so sánh thông số định mức, hãy bắt đầu với hướng dẫn đầy đủ về chọn cỡ van khí nén theo Cv.
Những điểm chính
- Kích thước cổng không xác định khả năng lưu lượng của van; hãy so sánh Cv hoặc dữ liệu lưu lượng khí nén của đường đi thực tế.
- Parker tính được Cv 1.06 cho xi lanh đường kính 3.25 inch hoàn tất hành trình 12 inch trong 1 giây ở áp suất 80 psi.
- Xác nhận điểm nghẽn bằng số đo áp suất động thay vì thay thử từng linh kiện.
Van trong hình trên là một ví dụ về phần tử điều khiển hướng mà ren cổng, đường dẫn bên trong và khả năng lưu lượng công bố đều phải được kiểm tra. Xem van điện từ đa dụng dòng XC22/23 để biết chi tiết sản phẩm.
Vì sao kích thước cổng đúng vẫn không đạt thời gian chu kỳ mục tiêu?
Một van có thể có đúng loại ren được chỉ định nhưng vẫn gây tổn thất áp suất quá mức khi chuyển động. Cổng chỉ là giao diện kết nối. Các rãnh con trượt, đoạn đổi hướng bên trong, đường dẫn trong đế van, đầu nối, ống khí, van điều chỉnh tốc độ và bộ giảm thanh xả quyết định khả năng lưu lượng của toàn bộ đường khí đã lắp đặt.
Vì vậy, Cv là giá trị để so sánh chứ tự nó không phải là kết luận chẩn đoán. Hai van 1/4 inch có thể có Cv khác nhau, và đường từ cửa cấp đến cửa làm việc có thể khác đường từ cửa làm việc đến cửa xả. Một xi lanh đi ra bình thường nhưng thu về chậm có thể bị hạn chế đường xả, chứ không phải đường cấp bị chọn quá nhỏ.
Dùng các hiện tượng sau để thu hẹp phạm vi lỗi:
| Hiện tượng | Phép đo đầu tiên | Khu vực có khả năng cần kiểm tra |
|---|---|---|
| Cả hai chiều đều chậm | Áp suất cửa vào van khi chuyển động | Bộ FRL, nguồn cấp chung cho đế van, đầu nối cửa vào |
| Một chiều bị chậm | Áp suất tại cả hai cổng xi lanh | Một đường qua van, van điều chỉnh tốc độ, bộ giảm thanh |
| Chu kỳ đầu đạt, các chu kỳ lặp lại chậm dần | Áp suất cấp động tối thiểu | Công suất máy nén, bình tích khí, đường ống nhánh |
| Chuyển động bắt đầu nhanh và kết thúc va đập mạnh | Đồ thị thời gian hành trình và giảm chấn | Khả năng lưu lượng van, cài đặt tiết lưu xả, giảm chấn |
| Chỉ một trạng thái máy bị lỗi | Dấu thời gian của lệnh và áp suất | Nhu cầu cơ cấu chấp hành bị chồng lấn, độ trễ điều khiển |
Cơ cấu chấp hành cần bao nhiêu lưu lượng để đạt thời gian hành trình mục tiêu?
Hãy bắt đầu từ đường kính xi lanh, hành trình, áp suất làm việc và thời gian hành trình cho phép. Ví dụ khí nén do Parker công bố sử dụng đường kính 3.25 inch, diện tích piston 8.30 inch vuông, hành trình 12 inch, thời gian di chuyển 1 giây, áp suất cấp 80 psi, hệ số nén 6.4 và hằng số 0.048 để thu được Cv 1.06 (Dữ liệu kỹ thuật của Parker).
Ví dụ này có giá trị vì bắt đầu từ chuyển động cần đạt thay vì kích thước cổng. Hãy dùng phương pháp chọn cỡ khí nén của nhà sản xuất cho van dự kiến và giữ nguyên đơn vị cùng điều kiện thử nghiệm đã nêu. Không được tính thể tích buồng theo feet khối mỗi phút rồi ghi là SCFM nếu chưa quy đổi thể tích khí nén về điều kiện tiêu chuẩn được công bố.
Ghi riêng hai chiều chuyển động. Cần piston làm giảm diện tích hiệu dụng phía thu về của xi lanh tác động kép thông thường, trong khi chiều dài ống và phần cứng xả của hai phía cũng có thể khác nhau. Với xi lanh không cần, hãy dùng dữ liệu buồng khí của nhà sản xuất khi có, thay vì giả định phải cộng một tỷ lệ phần trăm cố định vào Cv.
Nên sử dụng Cv cho khí nén như thế nào?
Định nghĩa quen thuộc của Cv dựa trên nước: số gallon Mỹ mỗi phút của nước ở 60°F đi qua van mở hoàn toàn với độ sụt áp 1 psi (ISA, Kiến thức cơ bản về điều khiển quá trình, Chương 5). Vì thế Cv hữu ích khi so sánh khả năng lưu lượng, nhưng phương trình chất lỏng cơ bản của nó không phải là phương trình chọn cỡ khí nén hoàn chỉnh.
Đối với chất lỏng, quan hệ là:
Q = Cv × sqrt(DeltaP / SG)
trong đó Q là gallon Mỹ mỗi phút, DeltaP là psi và SG là tỷ trọng so với nước. Khi chọn cỡ cho khí, còn phải tính đến áp suất tuyệt đối thượng nguồn, áp suất hạ nguồn, nhiệt độ, tính nén được và khả năng xảy ra dòng nghẽn.
ISO 6358-1 quy định các phép thử trạng thái ổn định đối với đặc tính lưu lượng của phần tử khí nén dùng lưu chất có thể nén (ISO 6358-1:2013). Khi bảng dữ liệu cung cấp độ dẫn âm, tỷ số áp suất tới hạn hoặc lưu lượng khí tại điều kiện cửa vào và cửa ra được nêu rõ, hãy dùng dữ liệu khí nén đó thay vì tự đặt ra một phép quy đổi Cv chung.
Kiểm tra đầy đủ các mục sau trong catalog:
- Thông số định mức áp dụng cho một đường dòng riêng hay cho toàn bộ van;
- Áp suất cửa vào và hạ nguồn dùng cho giá trị SCFM, NL/min hoặc L/min được công bố;
- Nhiệt độ và áp suất tham chiếu của lưu lượng “tiêu chuẩn”;
- Thông số cấp và xả ở từng trạng thái con trượt;
- Hệ số giảm định mức của đế van hoặc giới hạn vận hành đồng thời.
NIST lưu ý rằng đơn vị lưu lượng khí tiêu chuẩn phải nêu điều kiện tham chiếu; đồng thời đưa ra quy đổi 1 cfm = 28.31685 L/min (Quy đổi đơn vị áp suất và lưu lượng khí của NIST). Một con số lưu lượng không kèm điều kiện tham chiếu là dữ liệu mua hàng chưa đầy đủ.
Ngoài Cv của van, những hạn chế nào khác đáng quan tâm?
Van chỉ là một phần tử gây tổn thất áp suất trong mạch nối tiếp. CAGI mô tả một hệ thống khí nén được thiết kế tốt là hệ thống có độ sụt áp từ cửa xả máy nén đến điểm sử dụng không vượt quá 10%, đồng thời chỉ ra đường ống, đầu nối, bộ lọc, máy sấy, bộ tách và ống mềm đều là nguồn gây hạn chế (Tài liệu kỹ thuật về sụt áp của CAGI).
Mức 10% này là chuẩn tham chiếu cho toàn hệ thống, không có nghĩa van điều khiển hướng được phép tiêu hao riêng 10%. Hãy phân bổ mức tổn thất áp suất động chấp nhận được cho từng đoạn dựa trên yêu cầu lực và thời gian của cơ cấu chấp hành.
Làm thế nào để kiểm tra Cv có thực sự là điểm nghẽn?
Thử nghiệm một chuyển động máy có thể lặp lại và đồng bộ lệnh điện, tín hiệu vị trí cuối hành trình cùng áp suất động. Mục tiêu là xác định vị trí mất áp suất trong phần hành trình bị lỗi, chứ không chỉ xác nhận áp suất cấp tĩnh có vẻ bình thường trước khi bắt đầu chuyển động.
- Cố định điều kiện thử. Dùng cùng tải, cài đặt nguồn cấp, vị trí van điều chỉnh tốc độ, tải hữu ích và trình tự chu kỳ.
- Gắn dấu thời gian cho lệnh và cảm biến. Phân tách độ trễ PLC, thời gian chuyển trạng thái van, thời gian nạp khí và thời gian chuyển động cơ học.
- Đo P1 tại cửa vào van. Độ sụt lớn tại đây cho thấy vấn đề nằm ở thượng nguồn của đường van đang đo.
- Đo P2 gần cổng xi lanh. So sánh P1 và P2 trong lúc lưu lượng đạt đỉnh, không phải sau khi piston dừng.
- Kiểm tra áp suất ngược đường xả. Lặp lại ở chiều ngược lại và tạm thời thử bằng một bộ giảm thanh đã xác nhận sạch nếu điều kiện an toàn tại hiện trường cho phép.
- Mỗi lần chỉ thay đổi một hạn chế. Thay bằng van có khả năng lưu lượng cao hơn đã được xác minh hoặc rút ngắn một đoạn ống mà không thay đổi phần còn lại của mạch.
- Lặp đủ số chu kỳ để quan sát biến thiên. Báo cáo thời gian hành trình trung vị và xấu nhất, P1 tối thiểu cùng chênh áp P1-P2 cực đại.
Nếu van thay thế có Cv cao hơn giúp cải thiện thời gian hành trình trong khi áp suất thượng nguồn vẫn ổn định, đó là bằng chứng mạnh cho thấy đường qua van ban đầu bị hạn chế. Nếu P1 đều tụt mạnh với cả hai van, tăng Cv của van sẽ không khắc phục được vấn đề nguồn cấp thượng nguồn.
Van quá lớn làm thay đổi điều gì?
Van điều khiển hướng đóng/mở quá lớn có thể làm tăng gia tốc ban đầu, khiến giảm chấn khó điều chỉnh hơn, tăng tiếng ồn xả và chiếm nhiều không gian hơn trên đế van hoặc tủ điều khiển. Nó không tự động làm tăng lượng khí cần để nạp cùng các buồng xi lanh đến cùng áp suất cuối trong mỗi chu kỳ hoàn chỉnh. Lượng khí tiêu thụ và lưu lượng tức thời có liên quan nhưng là hai đại lượng khác nhau.
Không nên áp dụng trực tiếp mọi cảnh báo về van điều khiển quá trình tuyến tính quá lớn cho van điều khiển hướng khí nén. Van điều khiển quá trình có thể mất khả năng điều tiết tốt khi vận hành gần vị trí đóng; van điều khiển hướng thường chuyển giữa các trạng thái xác định. Đối với mạch khí nén, hãy kiểm tra các vấn đề thực tế: va đập, khả năng kiểm soát, tiếng ồn xả, tốc độ ổn định tối thiểu, chi phí và không gian.
Chọn van nhỏ nhất vẫn vượt qua thử nghiệm nghiệm thu với biên hợp lý tại áp suất cấp tối thiểu và tải dự kiến lớn nhất. Tránh các hệ số cố định như “luôn cộng thêm 25% Cv” trừ khi thông số máy hoặc nhà sản xuất linh kiện xác định rõ điều kiện cho biên đó.
Bảng nghiệm thu lưu lượng van
Dùng một bảng cho mỗi chuyển động quan trọng. Bảng này biến nhận xét “xi lanh có vẻ chậm” thành dữ liệu mua hàng và chạy thử có thể so sánh.
| Trường dữ liệu | Nội dung cần ghi |
|---|---|
| Cơ cấu chấp hành | Loại, đường kính/diện tích hiệu dụng, hành trình, kích thước cần piston nếu áp dụng |
| Yêu cầu chuyển động | Thời gian mục tiêu khi đi ra và thu về, độ biến thiên cho phép |
| Điều kiện tải | Lực, khối lượng, hướng lắp, ma sát, cài đặt giảm chấn |
| Điều kiện khí | Áp suất cấp động tối thiểu, nhiệt độ môi trường |
| Dữ liệu van | Model, chức năng con trượt, Cv hoặc dữ liệu ISO 6358 cho từng đường |
| Đường khí đã lắp | Đường kính trong/chiều dài ống, đầu nối, đế van, điều chỉnh tốc độ, bộ giảm thanh |
| Kết quả đo | Độ trễ từ lệnh đến chuyển động, thời gian hành trình, P1 tối thiểu, đồ thị P2 |
| Quy tắc nghiệm thu | Giới hạn đạt/không đạt ở điều kiện vận hành xấu nhất dự kiến |
Khi thay thế, hãy gửi bảng này cùng bảng dữ liệu của van cũ và ảnh giao diện đế van. Điện áp, ren cổng và chức năng con trượt vẫn bắt buộc phải phù hợp ngay cả khi van đề xuất có đủ khả năng lưu lượng.
Câu hỏi thường gặp
Cv cao hơn có luôn làm xi lanh khí nén chạy nhanh hơn không?
Không. Tăng lưu lượng van chỉ có tác dụng khi chính đường qua van đó là hạn chế đáng kể. Tải xi lanh, áp suất thượng nguồn, ống khí, đầu nối, van tiết lưu xả, giảm chấn và phần cứng xả cũng có thể quyết định tốc độ.
Tôi có thể chọn van chỉ bằng cách đối chiếu kích thước cổng không?
Không. Phải đối chiếu áp suất định mức, chức năng con trượt, điện áp, giao diện lắp đặt và dữ liệu lưu lượng. Các cổng có cùng ren vẫn có thể nối với tiết diện đường dẫn bên trong khác nhau, vì vậy khả năng lưu lượng cũng khác nhau.
Phương trình Cv cho chất lỏng có áp dụng cho khí nén không?
Không thể dùng như một phương pháp chọn cỡ khí hoàn chỉnh. Hãy dùng phương trình khí nén của nhà sản xuất hoặc dữ liệu ISO 6358 có xét áp suất thượng nguồn và hạ nguồn, nhiệt độ và đặc tính dòng chảy có thể nén.
Nên đo áp suất ở đâu khi thử nghiệm Cv?
Đo gần cửa vào van và gần cổng xi lanh đang hoạt động, sau đó kiểm tra áp suất ngược đường xả. Cảm biến phải đủ nhanh để ghi nhận độ sụt áp trong hành trình, thay vì chỉ dựa vào đồng hồ áp suất tĩnh.
Có nên cộng một hệ số an toàn cố định vào Cv đã tính không?
Biên dự phòng phải gắn với áp suất cấp tối thiểu, biến thiên tải, độ không đảm bảo đo và phạm vi vận hành tương lai. Một hệ số nhân cố định dùng chung là không có cơ sở nếu thiếu điều kiện xác định và hướng dẫn của nhà sản xuất.