Đã từ lâu hệ thống khí nén đóng một vai trò quan trọng, trong nhiều ngành nghề và lĩnh vực khác nhau, để có thể thực hiện được việc kiểm soát và điều chỉnh hệ thống một cách hiệu quả và tiết kiệm, các loại van khí nén đã được ra đời.

Trong bài viết ngày hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu về các loại van khí nén, chức năng và hoạt động của chúng.

Van khí nén là gì?

Các loại van khí nén hay van kiểm soát dòng chảy khí nén, tên gọi chung dùng để chỉ nhiều loại van khác nhau, chúng được sử dụng trong hệ thống khí nén. Chức năng cụ thể của van sẽ phụ thuộc vào loại van ví dụ:

Van điều hướng khí nén: Thiết bị có chức năng điều khiển dòng chảy của khí nén, đến những hướng đường ống khác nhau.
Van điều áp khí nén: Thiết bị này được sử dụng để điều chỉnh áp suất của khí nén sau khi đi qua van.
Van tiết lưu khí nén: Với thiết bị này ta có thể điều chỉnh được lưu lượng của dòng chảy khí nén trên đường ống trong một phạm vi nhất định.
Van an toàn khí nén: Với chức năng bảo vệ hệ thống, trước những sự cố phát sinh do hiện tượng áp suất làm việc tăng quá cao so với tiêu chuẩn thiết kế.

Và còn nhiều loại van khác, chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn ở những phần tiếp theo của bài viết.

Khác với những loại van công nghiệp chúng được thiết kế với kích thước rất lớn, van khí nén, thường được chế tạo với kích thước nhỏ, vật liệu chế tạo đa dạng bao gồm hợp kim nhôm, thép không gỉ, nhựa, hợp kim đồng,…

Van khí nén đa phần được thể kế để sử dụng trong dải áp suất từ 0 bar đến 10 bar, một số ứng dụng đặc biệt hơn thì những thiết bị này có thể chịu được áp suất lên đến hàng chục bar. Nhìn chung các thiết bị van khí nén sẽ có khả chịu được ngưỡng nhiệt độ và áp suất thấp hơn, so với van công nghiệp.

Các loại van khí nén được sử dụng phổ biến

Phân loại các loại van khí nén

Hệ thống khí nén được ứng dụng và phát triển từ rất lâu về trước, theo dòng thời gian phát triển ngày càng có nhiều các loại van khí nén, cùng với những biến thể của những loại van đó được phát triển, để đáp ứng các yêu cầu làm việc cụ thể. Dựa trên chức năng của từng loại van chúng ta có những dòng van chính sau đây.

Van điều hướng khí nén

Van điều hướng khí nén là loại van được sử dụng nhiều nhất, trong các hệ thống khí nén. Thiết bị này được sử dụng để thay đổi chiều của dòng chảy khí nén, đến các đường ống khác nhau (mỗi đường ống này tương ứng với mỗi hướng riêng biệt).

Để có thể điều khiển được dòng chảy của khí nén đi theo các hướng khác nhau, trên thân van được thiết kế các cổng kết nối với đường ống riêng biệt, kết hợp với việc thay đổi vị trí của chi tiết piston bên trong thân van, khí nén từ cồng P (đấu vào), sẽ được phân phối đến các cổng khác nhau.

Một số tên gọi khác của van điều hướng khí nén, được sử dụng tại Việt Nam:

Van phân phối khí nén
Van khí nén
Van điện từ khí nén,…

Để đáp ứng được yêu cầu về tính năng ngày càng cao, được đặt ra bởi các hệ thống khí nén, các thiết bị van điều hướng được phát triển với nhiều chủng loại hơn theo thời gian. Dựa trên những phương diện khác nhau ta có thể phân loại van điều hướng thành những loại như sau.

Phân loại dựa trên cách thức điều khiển

Cách thức điều khiển của van điều hướng khí nén, được hiểu là phương pháp tác động để có thể tạo ra lực để thay đổi vị trí làm việc của piston, qua đó thay đổi chế độ làm việc của van, ta có những kiểu tác động sau:

Điều khiển thông qua lực điện từ: Ở đầu van sẽ được thiết kế một cuộn coil, bộ phận này sẽ biến đổi dòng điện để sản sinh ra một từ trường, từ trường này gây ảnh hưởng lên một lõi thép (lực hút di chuyển lõi thép), khi lõi thép này thay đổi vị trí khí nén trong chính hệ thống, sẽ được trích một phần để tác động và làm thay đổi vị trí của piston. Khi ngắt dòng điện cung cấp cho cuộn coil, từ trường bị mất đi lò xo được đặt trong thân van sẽ tác động đẩy lõi thép và piston, trở lại vị trí ban đầu.
Điều khiển thông qua lực tác dụng từ bên ngoài: Có 2 kiểu thiết kế phổ biến được ứng dụng cho van điều hướng hoạt động thông qua tác dụng của ngoài lực đó là van điều hướng tay gạt, thiết bị có một cơ cấu được thiết kế để tiếp nhận lực điều khiển trực tiếp do con người tác dụng lên (cơ cấu tay gạt, hoặc cơ cấu nút nhấn). Ngoài kiểu tay gạt ta còn có dạng van điều hướng khí nén con lăn, thiết bị này được thiết kế cơ cấp con lăn liên kết với một đòn bẩy, để khi một bộ phận nào đó trong hệ thống di chuyển, và trong hành trình của nó, có một vị trí tiếp xúc với con lăn, và thông qua đòn bẩy, lực được truyền đi để làm thay đổi trạng thái làm việc của van.
Điều khiển thông qua khí nén: Khí nén của hệ thống thông qua một số thiết bị điều khiển và phân phối khác, được trích ra một phần để điều khiển chính thiết bị van điều hướng.

Trên đây là một số kiểu điều khiển hoạt động phổ biến của van điều hướng khí nén. Ở thời điểm hiện tại, để đáp ứng được yêu cầu của những hệ thống hoạt động với độ chính xác và khả năng tự động hóa cao, những thiết bị này thường được tích hợp nhiều loại cảm biến, để nâng cao mức độ chính xác và khả năng vận hành tự động.

Phân loại dựa trên cấu tạo thân van

Cấu tạo thân van là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính năng, mà thiết bị có thể cung cấp, cấu tạo thân van chúng ta đang đề cập đến ở đây, là sự khác biệt về kết cấu của thân van, và trục van.

Van điều hướng khí nén 2/2: Thân van được thiết kế với 2 cổng (1 cồng vào, 1 cổng ra), và hai vị trí làm việc của piston tương ứng với vị trí đóng và vị trí mở.
Van điều hướng khí nén 3/2: Thân van được thiết kế 3 cổng (1 cổng vào, 1 cổng xả, 1 cổng ra), hai vị trí ứng với vị trí mở van, khí nén đi từ cổng vào đến cổng ra, vị trí còn lại tương ứng với chế độ ngừng cấp khí, đồng thời khí nén trong hệ thống được xả ra sau khi thực hiện hết một chu trình làm việc.
Van điều hướng khí nén 5/2: Van có 5 cổng kết nối (1 cổng vào, 2 cổng ra và 2 cổng xả), hai vị trí làm việc của piston tương ứng với với quá cấp khí vào 1 trong hai cổng ra, đồng thời khí cũng được xả ra từ 1 trong 2 cổng xả.
Van điều hướng khí nén 5/3: Van được thiết kế với 5 cổng trên thân van, giống như van 5/2. Tuy nhiên thiết bị này có piston làm việc được 3 vị trí khác nhau.

Van an toàn khí nén

Van an toàn khí nén (pneumatic safety valve), là một trong các loại van khí nén, được sử dụng trong hệ thống khí nén để bảo vệ hệ thống, khỏi áp suất quá cao và nguy hiểm. Chức năng chính của van an toàn khí nén là giảm áp suất tự động, khi áp suất trong hệ thống vượt quá mức an toàn đã được đặt.

Phía trên thân van có bộ phận điều chỉnh giới hạn áp suất xả khí, ta có thể điều chỉnh giới hạn của áp suất làm việc của van thông qua bộ phận này.

Van điều áp khí nén

Van điều áp khí nén (pneumatic pressure regulator) là một thiết bị được sử dụng trong hệ thống khí nén, để điều chỉnh và giữ áp suất khí nén ổn định tại mức được xác định.

Một số đặc điểm và chức năng của van điều áp khí nén bao gồm:

Điều chỉnh áp suất: Cho phép người dùng điều chỉnh áp suất khí nén đầu ra, theo nhu cầu cụ thể của hệ thống.
Duy trì áp suất ổn định: Van điều áp khí nén đảm bảo rằng áp suất khí nén ở đầu ra duy trì ổn định, không bị ảnh hưởng bởi biến đổi áp suất đầu vào. Điều này đảm bảo sự ổn định trong hoạt động, của các bộ phận và thiết bị khí nén khác trong hệ thống.

Van điều áp khí nén có vai trò quan trọng, trong việc đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của hệ thống khí nén. Việc lựa chọn và sử dụng van điều áp phù hợp với yêu cầu của hệ thống, là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu, độ tin cậy của hệ thống khí nén.

Van tiết lưu khí nén

Van tiết lưu khí nén (Pneumatic flow control valve) là một thiết bị được sử dụng trong hệ thống khí nén, để điều chỉnh lưu lượng khí nén đi qua ống dẫn. Chức năng chính của van tiết lưu khí nén, là điều chỉnh hoặc hạn chế lưu lượng dòng chảy, để đáp ứng yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Một số đặc điểm và chức năng của van tiết lưu khí nén bao gồm:

Điều chỉnh lưu lượng: Cho phép người dùng điều chỉnh lưu lượng khí nén đi qua ống dẫn. Bằng cách điều chỉnh vị trí van, người dùng có thể tăng hoặc giảm lưu lượng khí nén, để đáp ứng yêu cầu của quá trình hoặc thiết bị cụ thể.
Kiểm soát tốc độ: Sử dụng để kiểm soát tốc độ di chuyển, của các bộ phận được điều khiển bằng khí nén, như xi lanh khí nén. Bằng cách điều chỉnh lưu lượng khí nén, van giúp kiểm soát tốc độ di chuyển, đạt được các quá trình và thao tác chính xác.
Đa dạng kiểu kết nối: Van tiết lưu khí nén có thể có nhiều kiểu kết nối, bao gồm ren, mặt bích hoặc cổng nối. Điều này cho phép dễ dàng lắp đặt và kết nối van vào hệ thống khí nén.

Van tiết lưu khí nén được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khí nén, như hệ thống điều khiển, máy móc công nghiệp, và các quy trình tự động hóa. Việc lựa chọn và sử dụng van tiết lưu phù hợp với yêu cầu và thông số kỹ thuật của ứng dụng là quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu suất tối ưu của hệ thống khí nén.

Van 1 chiều khí nén

Van 1 chiều khí nén được sử dụng, trên các hệ thống đường ống khí nén nhằm đảm bảo khí nén chỉ có thể di chuyển theo 1 chiều nhất định. Loại van này hoạt động hoàn toàn độc lập. Van sẽ cho khí nén đi qua theo chiều chiều thuận, và ở nhiều ngược lại khí nén sẽ bị chặn. Thiết bị này có thể làm được được điều này vì có cơ chế lò xo, luôn tác dụng một lực đàn hồi ép bi van về một phía.

Ở chiều thuận, áp suất của khí nén tác dụng lên bi van, nếu áp lực này đủ lớn nó thắng lực đàn hồi của lò xo làm cho van mở. Ở chiều ngược lại áp suất của khí nén sẽ tác dụng lên bi van, phát sinh một lực đẩy cùng chiều với lực đàn hồi của lò xo, từ đó van được đóng lại.

Van đóng mở khí nén

Các loại van có chức năng đóng hoặc mở hoàn toàn các đường ống dẫn khí nén, những thiết bị này được sử dụng trên những đường ống có kích thước lớn, thường là những đường ống hoặc nhánh đường ống cung cấp khí, đối với các khu vực hoặc các bộ phận.

Xuất phát từ chức năng và điều kiện làm việc, thiết bị được sử dụng để đóng mở hoàn toàn ở những vị trị đầu hoặc cuối hệ thống. Những loại van có thể được sử dụng, để thực hiện chức năng đóng mở dòng chảy khí nén, thường thấy là van bị hoặc van cầu.

Tìm hiểu về ký hiệu của các loại van trong hệ thống khí nén

Trong thực tế khi đọc các tài liệu kỹ thuật, liên quan đến hệ thống khí nén của nhà xưởng hoặc các loại máy móc ta, những hệ thống này thường được biểu diễn dưới dạng các sơ đồ. Và những loại thiết bị khí nén, trong đó có cả van khí nén được thống nhất, biểu diễn bởi những ký hiệu khác nhau, để thuận tiện cho công việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống.

Sau đây chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về những loại van khí nén, và cách chúng được biểu diễn trong những sơ đồ của hệ thống khí nén.

Ký hiệu của các loại van khí nén

Ký hiệu van 1 chiều

Van một chiều khí nén được biểu diễn thông qua khí hiệu một đường tròn, trong một phểu tam giác, đường tròn này biểu thị cho chi tiết viên bi kim loại bên trong thân van (có những loại van viên bi này được thay thế bằng một nút bịt), 2 đoạn thẳng ở hai bên thể hiện đường dẫn khí nén được, nối với hai đầu van.

Ký hiệu của van điều hướng

Trong các loại van được sử dụng trong hệ thống khí nén, thì van điều hướng là thiết bị được cung cấp với nhiều chủng loại nhất, vì vậy van điều hướng sẽ có hý hiệu theo nhiều kiểu khác nhau, trong đó ký hiệu của van sẽ biểu diễn cách thức điều khiển, số cổng van và số vị trí làm việc của piston.

Ký hiệu của van an toàn

Van an toàn khí nén được lắp vào đường ống hoặc bình tích áp, để đảm bảo an toàn cho thiết bị, van được ký hiệu với hai hình tam giác, 1 chiều thể hiện khí nén đi và chiều khí nén được xả ra khỏi van. Van được thiết kế bộ phận lò xo để tạo ra lực tác dụng ngược chiều với áp suất làm việc. Lực đàn hồi của lò xo có thể được điều chỉnh độ lớn thông qua chi tiết bu lông, để thay đổi lực nén của lò xo.

Ký hiệu của van điều áp

Để hiểu rõ hơn về ký hiệu của van điều áp khí nén, ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về hoạt động cơ bản của loại này.

Van điều áp khí nén cho phép người dùng có thể điều chỉnh áp suất đầu ra, của khí nén trong một phạm vi nhất định, và giữ mức áp suất đó ổn định trong suốt quá trình làm việc. Trong giai đoạn đầu của quá trình cấp khí, hệ thống phía sau van có mức áp suất thấp hơn hệ thống phía trước van, khí nén đi qua một cách dễ dàng.

Sau một thời gian cấp khí nhất định, khí nén phía sau van sẽ tăng dần áp suất, đến mức nhất định, áp suất của khí nén tác động lên màng ngăn và làm cho nó di chuyển, màng này được liên kết với chi tiết trục van và đĩa van, khi mà màng van di chuyển nó sẽ kéo theo trục và đĩa van, qua đó van được đóng lại, khí nén được dẫn quay trở về với vị trí phía trước van, (đường hồi khí nén được thể hiện qua ký hiệu của van thông qua đường nét đứt).

Những sơ đồ về hệ thống áp dụng các loại van khí nén cơ bản

Hệ thống khí nén được ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp, và trên nhiều loại máy móc phương tiện. Tùy thuộc vào chức năng mà hệ thống khí nén đó cần đảm nhận, mà chúng sẽ có mức độ đơn giản hoặc phức tạp khác nhau.

Hệ thống khí nén càng đảm nhận nhiều chức năng, đồng nghĩa với việc hệ thống đó càng phức tạp, và nó được cấu thành từ nhiều loại thiết bị khí nén khác nhau.

Để hiểu hơn về chức năng của các loại van khí nén, chúng ta cùng nhau tìm hiểu thêm về một số mạch khí nén cơ bản sau.

Sơ đồ điều khiển xi lanh khí nén tác động kép

Với mạch khí nén điều khiển một xi lanh, ta sử dụng van điều hướng khí nén 5/2 điều khiển bằng lực điện từ, chiều hồi vị sử dụng lò xo.

Khí nén từ nguồn được cung cấp vào van thông qua cổng số 1 như trên hình vẽ, van này sẽ có chức năng điều khiển hướng của dòng chảy khí nén, đi theo một trong hai chiều đường ống, được liên kết với hai đầu của xi lanh.

Trên mỗi đường dây khí nén ta lắp đặt thêm hai van tiết lưu, mục đích để có thể kiểm soát được tốc độ di chuyển của ty xi lanh khí nén, trong quá trình vận hành.

Sơ đồ điều khiển xi lanh khí nén tác động kép

Ta có mạch điều khiển hoạt động của một xi lanh khí nén sẽ vận hành như sau:

Vị trí 1: Khi chưa van điều hướng chưa được cấp điện, đồng nghĩa với bộ phận cuộn coil bên trong không có từ trường, dưới tác dụng của lực đàn hồi từ phía lò xo. Piston bên trong thân van được đẩy lệch về phía bên trái, khí nén từ cổng số 1 đi qua thân van và thoát ra ở cổng số 2, qua đường ống khí nén đi vào cổng B của xi lanh. Áp suất của khí nén tác dụng lên piston, đẩy bộ phận trục di chuyển lùi vào bên trong.

Lượng không khí ở khoang đối diện do có sự thay đổi về thể tích, nó được ép ra ngoài thông qua cổng A, đi về van điều hướng sau đó thoát ra thông qua cổng 5.

Vị trí 2: Khi ta tiến hành cấp điện vào bộ phận cuộn coil, bên trong cuộn coil tạo ra một từ trường, từ trường nào phát sinh một lực hút với lõi thép ở bên trong thân van. Lõi thép bị thay đổi vị trí sẽ mở một đường trích khí nén, áp lực của khí nén thông qua một cơ cấu đặc biệt, tạo thành một lực lớn tác dụng lên piston, đẩy nó di chuyển về phía bên phải.

Lúc này khí nén từ cổng 1 được dẫn đến cổng 4, thông qua đường ống khí nén để đi vào cổng A của xi lanh, và đẩy trục xi lanh di chuyển về bên phải theo chiều mũi tên.
Ở khoang đối diện của xi lanh khí nén, lượng khí nén tồn tại trước đó, thông của B đi về van điều hướng và thoát ra ngoài môi trường thông qua của 3.

Sơ đồ điều khiển xi lanh khí nén tác động đơn

Để điều khiển một thiết bị xi lanh khí nén tác động đơn, ta sử một van điều hướng 3/2 tác động lực điện từ hồi vị bằng lò xo, sử dụng một van tiết lưu để kiểm soát, tốc độ hành trình của trục xi lanh khí nén.

Ban đầu khi chưa cấp khí dưới tác động từ lực đàn hồi của lò xo, được đặt bên trong thân xi lanh, nó tác dụng lực lên piston và đẩy toàn bộ cơ cấu trục và piston, lùi vào bên trong thân của xi lanh. Sau đó tiến hành cấp khí hoạt động của hệ thống này, sẽ diễn ra như sau:

Vị trí 1: Khi van điều hướng không được cấp điện, lực đàn hồi từ lò xo tác động lên piston, đẩy nó đi chuyển về phía bên trái, lúc này khí nén từ cửa 1 đi đến cửa 2 khí nén được dẫn qua van tiết lưu, sau đó đi vào bên trong thân xi lanh khí nén. Với 1 áp suất đủ lớn, khí nén tác động lên piston và tạo ra lực đối ngược với lực đàn hồi từ lò xo. Lực này đẩy trục xi lanh đi ra ngoài.

Vị trí 2: Khi van điều hướng được cấp điện, lực điện từ tác động lên lõi thép và làm thay đổi vị trí của chi tiết này, một phần khí nén được trích ra để tác động làm thay đổi vị trí của piston.

Lúc này khí nén từ cổng 1 bị chặn lại không thể đi qua van, thay vào đó lượng khí nén tồn tại trong xi lanh ở quá trình trước đó, sẽ quay ngược về van và đi ra ngoài môi trường, thông qua cổng số 3.

Trên đây là hai dạng sơ đồ khí nén cơ bản nhất được, áp dụng để điều khiển xi lanh khí nén, qua đó ta có thể hiểu được cơ bản chức năng, của một số loại thiết bị khí nén và cách mà chúng làm việc trong một hệ thống.

Kết luận

Trong bài viết này đã đề cập đến các loại van khí nén, đồng thời làm rõ được chức năng, và cách thức hoạt động của từng loại van.

Ngoài ra bài viết cũng đề cập đến những biến thể khác nhau, của van đều hướng khí nén, những biến thể này được cải tiến về kết cấu thân van, cách thức vận hành nhằm mục đích tối ưu khả năng làm việc trong những điều kiện làm việc nhất định.

Với mục đích giới thiệu sơ bộ về các loại van khí nén, nên tại bài viết này không đề cập đến các khía cạnh như cấu tạo, hoạt động chi tiết và thông số kỹ thuật. Nhưng chúng tôi có để những đường link cụ thể, dành cho quý bạn đọc muốn tìm hiểu sâu hơn về từng loại van.

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn, bạn đã dành thời gian cho bài viết này, và rất mong những ý kiến đóng góp từ phía bạn đọc.