Chọn van điều tốc khí nén: Meter-out và FAT/SAT tại Thái Lan

Nếu chọn van điều tốc khí nén chỉ theo cỡ ren và ống, xi lanh có thể tiến quá nhanh, đổi tốc độ khi có phôi hoặc giật khi cấp khí trở lại. Trước hết cần xác định chuyển động ở từng chiều, đường khí cần tiết lưu và cách đo với tải cùng đường ống thực tế. Bài viết trình bày lựa chọn mạch, dữ liệu lưu lượng, vị trí lắp, yêu cầu RFP và bằng chứng FAT/SAT cho nhà máy tại Thái Lan. Van điều tốc dùng để chỉnh chuyển động bình thường; chức năng an toàn phải được đánh giá rủi ro riêng.

Xác định chuyển động trước khi chọn núm chỉnh

Van điều tiết một chiều kết hợp tiết lưu và van một chiều: khí bị hạn chế ở một chiều, còn chiều ngược lại đi qua đường thông thoáng hơn. Festo phân biệt loại tiết lưu khí xả và loại tiết lưu khí cấp. Cả hai có thể điều chỉnh tốc độ tiến và lùi khi áp dụng cho cơ cấu phù hợp. Cùng cỡ ren và ống không có nghĩa là cùng chiều tiết lưu, đặc tính lưu lượng hay khoảng điều chỉnh hữu ích.

Hãy ghi đường kính xi lanh và cần, hành trình, hướng lắp, khối lượng đồ gá và phôi, ma sát dẫn hướng, chu kỳ mục tiêu, thời gian tiến/lùi cần đạt, áp suất cấp bình thường và khi giảm, cùng mã van đảo chiều, ống, đầu nối và bộ giảm thanh. Nêu rõ có cần chỉnh hai chiều độc lập hay không. Tài liệu kỹ thuật SMC cho biết tốc độ thực tế phụ thuộc vào tiết diện dòng hữu hiệu tổng hợp của ống, đầu nối, van điện từ và bộ giảm thanh, chứ không chỉ van điều tốc. Một chi tiết nhỏ ở nơi khác trong mạch có thể trở thành nút thắt.

Chọn Meter-out hay Meter-in theo cơ cấu và tải

Meter-out tiết lưu khí đi ra khỏi xi lanh; khí cấp vào đi tự do hơn qua đường van một chiều. Festo mô tả piston chuyển động giữa hai đệm khí khi cấp khí thông thoáng và xả khí có kiểm soát, nhờ đó chuyển động có thể tốt hơn khi tải thay đổi. Sổ tay cho một dòng xi lanh của SMC cũng mô tả Meter-out là bố trí thông dụng. Tuy nhiên, đó là ứng viên khởi đầu, không phải bảo đảm ổn định với mọi máy. Phải đối chiếu cơ cấu, tải, áp suất và chỉ dẫn của nhà sản xuất xi lanh.

Meter-in tiết lưu khí cấp vào, còn khí xả theo đường thông thoáng hơn. Có thể xem xét nếu ví dụ mạch của nhà sản xuất hoặc ứng dụng đặc biệt yêu cầu, chẳng hạn một số cơ cấu tác động đơn hay tốc độ thấp. Khí nén có tính nén được; nếu ngoại lực đẩy cùng chiều chuyển động, tốc độ có thể kém ổn định. Sổ tay SMC CA2 cảnh báo dòng xi lanh đó có thể vận hành không ổn định khi tiết lưu phía cấp. Điều này đòi hỏi thử trên tải thực, không có nghĩa mọi mạch Meter-in đều sai.

Khi cần xi lanh tiến, khoang phía cần xả khí; van Meter-out trên đường xả này ảnh hưởng tốc độ tiến. Khi cần lùi, khoang phía nắp xả khí. Vì thế phải ghi số cổng và chiều dòng trên sơ đồ, đồng thời ghi chuyển động tương ứng ngay trên máy. Ghi chú “núm bên phải = tiến” dễ sai khi đảo hướng xi lanh hoặc thay ống.

Trục đứng và dừng an toàn cần thiết kế riêng

Trọng lực hỗ trợ chuyển động theo một chiều của trục đứng. Phải xét mất khí, tuột ống và áp suất dư. Van điều tốc chỉ là thiết bị chỉnh tốc độ chạy bình thường; bản thân nó không chứng minh tải được giữ, không rơi hoặc đạt quãng đường dừng khẩn an toàn. Việc dùng khóa cần, chốt cơ khí, giá đỡ tải hay biện pháp xử lý khí dư phải dựa vào đánh giá rủi ro và thiết kế được phê duyệt. ISO 4414:2010 quy định các nguyên tắc và yêu cầu an toàn chung cho hệ khí nén cùng linh kiện; dẫn tên tiêu chuẩn không chứng nhận một mạch cụ thể.

Khởi động lại là một trạng thái khác. Một khoang có thể còn áp suất khi khí cấp trở lại, khiến cơ cấu chuyển động bất ngờ. SMC công bố ví dụ sản phẩm chuyên hạn chế xi lanh phóng ra, nhưng vẫn phải kiểm tra theo xi lanh và tải được dùng. Trong FAT/SAT, thử mất và phục hồi khí, áp suất thấp và khởi động khi đang giữ phôi theo quy trình mà đánh giá rủi ro cho phép. Kết quả đo thời gian chu kỳ bình thường không thay thế các thử nghiệm này.

Chọn lưu lượng theo cả mạch khí

Van có lưu lượng cực đại lớn nhất chưa chắc dễ chỉnh nhất. Nếu tốc độ mong muốn nằm trong một phần rất nhỏ của hành trình núm, độ phân giải điều chỉnh có thể kém. Ngược lại, mở hết mà vẫn không đạt tốc độ thì cũng không đáp ứng. Bắt đầu từ thời gian hành trình và tải lớn nhất; sàng lọc bằng tài liệu chọn cỡ của nhà sản xuất, rồi mô phỏng hoặc thử van cùng ống, đầu nối và bộ giảm thanh.

Số liệu lưu lượng trên catalogue gắn với điều kiện thử. Một tài liệu Festo định nghĩa lưu lượng danh nghĩa chuẩn ở áp suất vào 6 bar, áp suất ra 5 bar và nhiệt độ 20°C. Không thể đồng nhất con số đó với tốc độ xi lanh thực hay so trực tiếp với nhà cung cấp khác khi chưa đọc điều kiện. SMC trình bày riêng đồ thị độ mở kim với lưu lượng và đồ thị độ mở với tốc độ xi lanh. Bảng so sánh phải nêu đơn vị, áp suất đầu vào/đầu ra, giá trị của dòng có tiết lưu hay dòng tự do, cùng phương pháp đo.

Ví dụ số: xác định đại lượng cần đo

Giả sử yêu cầu minh họa là hành trình 100 mm, tiến trong 0,50 s và lùi trong 0,80 s. Tốc độ trung bình giữa hai đầu hành trình là 100 mm ÷ 0,50 s = 200 mm/s khi tiến và 100 mm ÷ 0,80 s = 125 mm/s khi lùi. Đây là giá trị trung bình, không phải tốc độ đỉnh, tốc độ va chạm hay lượng khí tiêu thụ. Để xác định lưu lượng còn cần kích thước xi lanh và cần, áp suất, tính nén của khí và các cản trở trong mạch. Không nên quy đổi 200 mm/s thành một mức L/min chung cho mọi van.

Đo từng chiều riêng với máy không tải, phôi bình thường và phôi nặng nhất trong phạm vi yêu cầu. Bên mua xác định dung sai thời gian, dịch chuyển phôi cho phép, va đập cuối hành trình và giao thoa với các trục khác. Đạt 0,50 s không tự chứng minh an toàn hoặc năng suất toàn dây chuyền.

Độ phân giải điều chỉnh quan trọng như lưu lượng cực đại

SMC giải thích đặc tính lưu lượng equal-percentage có thể giúp tinh chỉnh ở vùng lưu lượng thấp. Tài liệu đó cũng nêu đặc tính tuyến tính có thể thuận lợi hơn trong một số điều kiện tốc độ thấp. Không có loại nào luôn tốt nhất. Hãy so độ lặp lại ngay tại vùng tốc độ sẽ sử dụng và ghi số vòng núm hoặc vị trí chỉ thị. Loại có chỉ thị và khóa có thể giúp cài đặt lại nhất quán hơn, nhưng giá trị hiển thị không phải phép đo tốc độ. Phải xác nhận thời gian hành trình sau khi khóa.

Quan sát nhiều hơn tốc độ trung bình

Đánh giá chuyển động giữa hành trình và giảm tốc ở cuối riêng biệt

Một trục có thể đạt tổng thời gian hành trình nhưng tạm dừng ở giữa rồi chạy quá nhanh gần cuối. Nó cũng có thể chạy nhanh lúc đầu nhưng ở lại quá lâu tại đoạn cuối. Hãy chia quan sát thành thời điểm khởi động, vị trí giữa xác định và điểm cuối. Nếu dùng video, cố định góc máy và thước đo. Nếu dùng dấu thời gian cảm biến, ghi rõ mỗi cảm biến phát hiện sự kiện vật lý nào. Những người kiểm tra khác nhau phải hiểu cùng một ranh giới đo.

Đừng đặt toàn bộ trách nhiệm giảm va đập cuối hành trình vào một van điều tốc. Đệm khí trong xi lanh, giảm chấn ngoài, chặn cơ khí và bề mặt tiếp xúc phôi là các chức năng khác nhau. Giảm tốc cả hành trình có thể bớt va đập nhưng ảnh hưởng chu kỳ hoặc chiều đi ngược. Đọc giới hạn động năng và cách điều chỉnh đệm của nhà sản xuất xi lanh, rồi kiểm tra điểm cuối và giá lắp với phôi thực. Chuyển động yên hơn không loại trừ tải lệch trên đồ gá hoặc dẫn hướng bị kẹt.

Tăng áp suất để bù tốc độ chậm ảnh hưởng giới hạn linh kiện, lực đẩy, va đập cuối và năng lượng tiêu thụ. Nếu thay áp suất và độ tiết lưu cùng lúc, khó biết cái gì tạo cải thiện. Trong phép so sánh, giới hạn số biến thay mỗi lần và giữ lịch sử để có thể trở lại giá trị ban đầu.

Phân biệt xi lanh tác động đơn, kép và yêu cầu hai cấp tốc độ

Xi lanh tác động kép thường có thể chỉnh riêng lúc tiến và lùi; xi lanh tác động đơn chịu thêm ảnh hưởng của lò xo hoặc ngoại lực. Festo trình bày ví dụ mạch riêng cho hai loại. Không sao chép máy móc bố trí hai van của loại kép sang loại đơn. Trước khi cho rằng chiều lùi không mang phôi nên được chạy nhanh hơn, hãy xem giao thoa trên đường lùi, khả năng người tiếp cận và thời điểm công đoạn sau.

Nếu yêu cầu chạy nhanh khi di chuyển và chậm ngay trước tiếp xúc, một núm tiết lưu cả hành trình chưa mô tả đủ. Có thể cần thêm phát hiện vị trí, van chuyển mạch hoặc mạch hai cấp tốc độ. SMC giới thiệu sản phẩm điều chỉnh đồng thời khí cấp và khí xả, nhưng mô tả sản phẩm không chứng minh nó phù hợp mọi yêu cầu tốc độ hai cấp. Trước tiên phải nêu biên dạng tốc độ, vị trí chuyển và trạng thái khi mất điện hoặc mất áp.

Ở tốc độ rất thấp, ma sát và thay đổi tải có thể khiến chuyển động không liên tục. Quan sát dừng, chạy lại và dao động nhỏ tại mức mở thực dùng, không chỉ lưu lượng cực đại trong catalogue. Cân nhắc kiểm tra sau khi máy đã chạy nóng thay vì chấp nhận một lần chạy ngay sau nghiệm thu. Nếu độ lặp mong muốn khó đạt với bố trí khí nén đã chọn, xem lại dẫn hướng, tải và phương thức truyền động.

Tách rò rỉ và bẩn khỏi vấn đề cài đặt

Tốc độ thay đổi dần không nhất thiết do núm bị xoay. Rò nhỏ ở đầu nối, ống hỏng, lọc hoặc giảm thanh nghẹt, van điện từ đáp ứng khác đi và ma sát trượt thay đổi đều là khả năng. Ghi áp suất cấp và khi chạy, mức chỉnh, tải; so với trạng thái đã biết là tốt. Kiểm tra rò và vệ sinh theo hướng dẫn của nhà sản xuất cùng quy trình an toàn của máy. Mở thêm van để che triệu chứng có thể khiến cơ cấu chạy quá nhanh khi tải đổi sau này.

Sau bảo trì, ngay cả khi thay đúng cùng model, độ cắm ống, vật liệu kín ren hoặc đường đi của ống có thể khác. So thời gian đo trước và sau; nếu chênh đáng kể, kiểm tra cả mạch chứ không chỉ núm. Hồ sơ bảo trì như vậy giúp tránh cả kết luận vội rằng “van đã mòn” và việc thay lặp lại một van vẫn hoạt động tốt.

Ghi bốn quyết định trước khi đặt hàng

Cuộc duyệt mua hàng cần hơn một dấu chọn cạnh mã catalogue. Thứ nhất, nêu luồng khí nào được tiết lưu lúc tiến và lúc lùi. Thứ hai, nêu yêu cầu thời gian và chất lượng cuối hành trình với tải bình thường, tải lớn nhất và trong dải áp suất được phép. Thứ ba, giải thích vì sao ứng viên có khoảng điều chỉnh hữu ích khi tính cả chiều dài ống, đầu nối, van đảo chiều và giảm thanh sẽ lắp. Thứ tư, chỉ định người phụ trách đánh giá riêng việc dừng, mất áp, khởi động lại và giữ tải trục đứng. Nếu điểm nào chưa rõ, hãy đo hoặc hỏi nhà sản xuất trước khi khóa model.

Phân biệt điều đã biết với điều chỉ có thể xác nhận tại SAT. Nếu FAT không tái tạo được chiều dài ống thực, kết quả đạt tại xưởng không nên được gọi là bằng chứng tốc độ cuối cùng tại hiện trường. Thống nhất ai quyết định chi phí và lịch trình chọn lại van, đi lại ống hoặc sửa điều khiển nếu máy lắp đặt không đạt dung sai. Nếu điều kiện FAT và SAT thực sự khớp, lưu hồ sơ làm chuẩn cho máy giống hệt sau này. Lưu tư thế phôi và áp suất cùng mỗi giá trị thời gian để dự án sau không dùng nhầm con số trong điều kiện khác.

Đưa đường ống, vị trí lắp và linh kiện lân cận vào yêu cầu

Lắp ngay tại cổng xi lanh hay trên đường ống có thể làm thay đổi thể tích khí giữa van và cơ cấu. Thể hiện vị trí trong bản vẽ và BOM. Làm theo hướng dẫn của mã sản phẩm về chiều dòng, lắp ren, vật liệu làm kín, cắm ống và khoảng thao tác bảo trì. Không mặc định cùng vị trí núm sẽ cho cùng tốc độ sau khi dời van.

Ống dài hoặc nhỏ, đầu nối hẹp, bộ giảm thanh bị nghẹt đều có thể là hạn chế chính. Nếu FAT dùng ống tạm ngắn nhưng SAT dùng ống lắp thật dài hơn, phải đo lại. Tương tự khi đổi cụm van hoặc đường xả. Dòng “tự do” qua van một chiều cũng có lực cản hữu hạn; kiểm tra dữ liệu của cả hai chiều. Điểm đo áp suất phù hợp giúp phân biệt nghẽn với lắp ngược, nhưng điểm đo cố định cần được duyệt vì có thể tăng chỗ rò và thể tích khí.

Dựa trên điều kiện thực tại nhà máy Thái Lan

Nếu nơi lắp nóng, ẩm, thường rửa, có dầu hay bụi, hãy cung cấp số đo tại máy và quy trình vệ sinh cho nhà cung cấp. Kiểm tra nhiệt độ làm việc, môi chất, vật liệu, chống ăn mòn và biện pháp bảo vệ theo đúng model. Chỉ biết “ở Thái Lan” không đủ để ấn định nhiệt độ hoặc độ ẩm. Bộ phận bảo trì nên xác nhận kích cỡ ống/đầu nối mua được tại chỗ, mã phụ tùng và cách ghi giá trị cài. Chất lượng khí và tạp chất có thể ảnh hưởng tiết lưu và van một chiều; giải quyết lọc và sấy khí ở thiết kế hệ thống, thay vì dùng van mới để che vấn đề khí cấp.

Viết RFP thành yêu cầu chuyển động và thử nghiệm

Thay vì “một bộ van điều chỉnh tốc độ”, yêu cầu nhà thầu cung cấp mã hàng, chiều tiết lưu, điều kiện của đường cong lưu lượng, cách lắp, ống tương thích, cơ cấu khóa, giới hạn môi trường và phụ tùng. Bên mua đưa các tình huống chuyển động và tải sẽ dùng để nghiệm thu. So sánh giá chỉ có ý nghĩa nếu phạm vi mạch, thử nghiệm và bảo trì tương đương.

Meter-in và Meter-out tiết lưu ở hai chiều dòng khác nhau. Cần so chiều điều khiển và vùng chỉnh mà mạch đòi hỏi, không chỉ đơn giá. Thiết kế cơ khí chịu trách nhiệm về tải và va chạm; điện điều khiển về lệnh van và liên động; khí nén về áp suất và khí dư; bảo trì về thay và chỉnh lại. Chỉ rõ ai ghi kết quả từng phép thử.

FAT: kiểm chứng tốc độ, độ lặp và phục hồi

FAT nên dùng ống, giảm thanh và tải tương đương sản xuất khi có thể. Điều kiện nào chưa mô phỏng được phải ghi “chưa kiểm chứng” và chuyển tiêu chí sang SAT. Đối chiếu mã hàng, chiều dòng với sơ đồ; ghi áp suất, tải, tư thế phôi và tình trạng dẫn hướng. Đo nhiều lần thời gian tiến/lùi giữa điểm đo được xác định. Kiểm tra có thể đặt vào dung sai và giữ ổn định sau khi khóa. Quan sát va đập cuối hành trình, phôi xê dịch và va chạm cơ cấu khác. Lặp lại ở ranh giới áp suất và tải được cho phép. Sau đó kiểm tra mất khí và khởi động lại theo đánh giá rủi ro.

Giới hạn đạt phải xuất phát từ yêu cầu máy, không có thời gian hành trình chung cho mọi van. Nếu đo từ PLC output ON tới cảm biến cuối hành trình thì giá trị bao gồm đáp ứng của van và vị trí cảm biến; phải định nghĩa ranh giới đo. Video hoặc dữ liệu vị trí đi kèm log PLC giúp giải thích sai khác.

SAT: đo lại sau lắp đặt

SAT dùng chiều dài ống thực, dao động áp suất, vị trí van, giảm thanh, phôi và ma sát dẫn hướng tại hiện trường. Lấy cài đặt FAT làm điểm khởi đầu, lặp phép thử đã thỏa thuận và ghi mọi chỉnh sửa. Sai khác lớn cần chẩn đoán, không chỉ sửa con số cài. Hồ sơ bảo trì nên có model, mã nhận diện, vị trí, chiều được điều khiển, mức chỉnh đã khóa, thời gian đo, tải, áp suất, ngày và người thử. Dù thay van rồi trả núm về đúng vị trí cũ, vẫn phải đo chuyển động.

So sánh có kiểm soát trước khi đổi chế độ tiết lưu

Với máy hiện hữu, giữ số liệu gốc trước khi đổi Meter-in sang Meter-out hoặc ngược lại. Ghi thời gian tiến/lùi, dịch chuyển phôi, va đập và áp suất ở điều kiện thường và mức áp thấp được phép. Thử những mạch mà nhà sản xuất cho phép với cùng tải và phương pháp đo. Đổi đường xả có thể cải thiện một chiều nhưng ảnh hưởng áp suất ngược và chiều còn lại. Ghi cả cải thiện lẫn bất lợi. Sau khi chọn, cập nhật đồng thời sơ đồ, BOM, phiếu cài đặt và hướng dẫn thay phụ tùng.

Xi lanh nhanh hơn chưa chắc dây chuyền nhanh hơn

Chờ cảm biến, kẹp phôi, tạo chân không, robot sẵn sàng hoặc tín hiệu từ công đoạn sau có thể chi phối chu kỳ. Giảm 0,1 s ở một hành trình chưa tăng công suất nếu bước khác vẫn là nút thắt. Tốc độ cao hơn còn có thể làm phôi rung và va đập. Đánh giá riêng thời gian trục, chu kỳ máy, chất lượng và bảo trì. Ở một số máy, sửa trình tự điều khiển hay đường ống hiệu quả hơn tăng cỡ van; quyết định dựa trên số đo.

Bàn giao lý do của giá trị cài cho bảo trì

Hướng dẫn bảo trì nên nói giá trị cài đáp ứng tải nào và thời gian bao nhiêu, không chỉ ghi “ba vòng”. Quy trình thay cần gồm cách cách ly an toàn và xử lý áp suất dư theo hướng dẫn máy, xác nhận model, kiểm tra rò, chỉnh dần từ tốc độ thấp, đo chuyển động và thử khởi động lại đã duyệt. Ghi chiều tiết lưu trong danh mục phụ tùng bên cạnh cỡ ren/ống. Hai van Meter-in và Meter-out có vẻ ngoài giống nhau không thể mặc nhiên thay thế. Nếu dán nhãn “EXTEND” và “RETRACT” trên máy, liên kết với số cổng trong sơ đồ.

Khi mua cho Thái Lan, so khả năng có phụ tùng tại địa phương, thời gian thay, đầu nối tương thích và hỗ trợ kỹ thuật. Giá van thấp có thể bị bù bởi làm lại ống và thời gian dừng. Bộ chỉ thị không giúp nhiều nếu điểm chạy nằm sát rìa vùng chỉnh. Tách giá van, đầu nối, giá đỡ, lắp đặt, thử, phụ tùng và chỉnh lại sau thay; tính chi phí cho đúng máy.

Đọc thêm và câu hỏi thường gặp

Nếu chưa quyết định cỡ xi lanh hoặc chọn khí nén hay điện, hãy xem hướng dẫn chọn xi lanh khí nén. Về cổng van và tín hiệu PLC, đọc hướng dẫn chọn van điện từ khí nén cùng bài này để không bỏ sót đường xả.

Meter-out có luôn ổn định không?

Không. Đây là ứng viên khởi đầu hợp lý, nhưng thiết kế xi lanh, chiều tải, ma sát, áp suất và ống đều tác động. Kiểm tra sơ đồ của nhà sản xuất và đo cả hai hành trình có tải. Meter-out không thay cơ cấu giữ tải hay dừng an toàn.

Chỉ thời gian hành trình có xác định được lưu lượng cần thiết không?

Không. Thời gian cho tốc độ trung bình, nhưng còn cần kích thước xi lanh và cần, áp suất, tính nén của khí và các hạn chế trong mạch. So catalogue theo điều kiện thử và kiểm chứng trên máy.

Loại lắp trên ống và loại lắp tại cổng dùng chung mức chỉnh được không?

Không thể kết luận chung. Dời vị trí làm thay đổi thể tích ống và có thể đổi tốc độ. Cần đo lại sau thay đổi.

Khóa núm rồi có thể bỏ FAT/SAT không?

Không. Khóa giúp hạn chế chỉnh ngoài ý muốn, không chứng minh tốc độ hay hành vi khởi động lại. Ghi cả mức chỉnh và chuyển động đo được.

Kết luận

Chọn van điều tốc khí nén cần kết hợp chiều tiết lưu, tải riêng của hai hành trình, toàn bộ đường khí, độ phân giải điều chỉnh và hành vi khi dừng/khởi động thành một yêu cầu thống nhất. So lưu lượng theo đơn vị và điều kiện thử được công bố. Chứng minh mạch tại FAT và đo lại sau lắp đặt trong SAT. Việc giữ tải trục đứng và dừng an toàn là yêu cầu thiết kế riêng theo đánh giá rủi ro.

Nếu xi lanh trong dây chuyền tại Thái Lan đổi tốc độ theo tải, hoặc bạn đang lập RFP cho máy mới, thông tin xi lanh, van và đường ống hiện có là đủ để bắt đầu trao đổi cụ thể. Liên hệ TOMAS TECH ngay trong giai đoạn xác định yêu cầu.

Nguồn tham khảo

• Festo, Possible applications one-way flow control valves.
• Festo, One-way flow control valve VFOE.
• SMC, Speed Controller Flow Rate Characteristics.
• SMC, CA2 Series Operation Manual.
• SMC, ASD-A Dual Speed Controller.
• ISO 4414:2010.