หัวขับลม (Pneumatic Actuator)

หัวขับลม คือ อุปกรณ์ที่ใช้ควบคุม การทำงานของวาล์วโดยใช้พลังงานจาก อากาศอัด แก๊ส ไฟฟ้า หรือของเหลว มาเปลี่ยนเป็นพลังงานกล

เพื่อใช้ในการควบคุม การทำงานของวาล์ว ปิด-เปิด คอนโทรล 

บทความนี้จะกล่าวถึง หัวขับลม ซึ่งใช้อากาศอัดเท่านั้น โดย หัวขับลม หรือ (Pneumatic Actuator) จะแบ่งการทำงานเป็น 2 แบบ ดังนี้

• Linear (การเคลื่อนที่เชิงเส้น)
• Rotary (การเคลื่อนที่แบบวงกลม)

Linear Type (การเคลื่อนที่เชิงเส้น) จะมีสองแบบที่เห็นใช้งานกันทั่วไปในโรงงานอุตสาหกรรม คือ

• กระบอกลม (Cylinder)

Single Acting ทำงานโดยใช้อากาศอัด และเลื่อนกลับโดยใช้สปริง หรือ จะให้ทำงานโดยใช้สปริง และเลื่อนกลับโดยใช้อากาศอัด

ก็แล้วแต่ผู้ออกแบบจะเลือกนำไปใช้

Double Acting ทำงานโดยใช้อากาศอัด และเลื่อนกลับโดยใช้อากาศอัด

ตัวอย่างการนำกระบอกลมไปประยุกต์ใช้กับวาล์ว ในรูปด้านล่างคือ Knife Gate Valve ซึ่งถ้าเป็นแบบ Manual ผู้ใช้งานต้องใช้มือหมุน Hand Wheel เพื่อทำให้วาล์ว ปิด หรือ เปิด เราก็นำกระบอกลมไปติดแทนมือหมุน ดังรูปที่ 3 หรือนำไปใช้กับ Gate Valve ดังรูปที่4

   

• Diaphragm (แผ่นไดอะแฟรม) ก็จะทำงานคล้ายกันกับแบบ กระบอกลมดังที่กล่าวมาแล้วข้างต้น เพียงแต่เปลี่ยน ตัวลูกสูบในกระบอกลม เป็นแผ่นไดอะแฟรมแทน

Single Acting ทำงานโดยใช้อากาศอัด และเลื่อนกลับโดยใช้สปริง หรือ จะให้ทำงานโดยใช้สปริง และเลื่อนกลับโดยใช้อากาศอัด

ก็แล้วแต่ผู้ออกแบบจะเลือกนำไปใช้

Double Acting ทำงานโดยใช้อากาศอัด และเลื่อนกลับโดยใช้อากาศอัด

ตัวอย่างการนำหัวขับลมแบบไดอะแฟรมไปใช้ ในรูปด้านล่างคือ Globe Valve ซึ่งถ้าเป็นแบบ Manual ผู้ใช้งานต้องใช้มือหมุน Hand Wheel เพื่อทำให้วาล์ว ปิด หรือ เปิด เราก็นำหัวขับลมแบบไดอะแฟรมไปติดแทนมือหมุน ดังรูปที่7 หรือนำไปใช้กับ Diaphragm Valve ดังรูปที่ 8

Rotary (การเคลื่อนที่แบบวงกลม) หัวขับแบบโรตารี่ หรือการเคลื่อนที่เป็นวงกลมซึ่งเท่ากับ 360^o แต่หัวขับจะใช้แค่ 90^o และอาจมี 180^o ในบางครั้ง แต่ในที่นี้เราจะกล่าวถึง การใช้งานแบบ 90^o หรือแบบ Quarter Turn โดยจะมีลักษณะการทำงาน แบบ Single Acting และ Double Acting เหมือนกระบอกลม

Quarter Turn แบ่งเป็น 2 แบบ ดังนี้

• Rack and Pinion โดยการนำลักษณะของ Rack Gear และ Pinion เกียร์มาออกแบบ ผสมกับกระบอกลม ดังรูปที่ 9

ลักษณะหัวขับลม Rack and Pinion แบบ Double Acting และ Single Acting

• Scotch Yoke โดยนำหลักการของ Scotch Yoke มาใช้ในการออกแบบ เป็นกลไกที่มีลักษณะการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาที่เปลี่ยนการเคลื่อนที่เชิงมุมไปสู่การเคลื่อนที่เชิงเส้นได้ ผู้อ่านสามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมของได้ใน Engine Search

ลักษณะหัวขับลม Scotch Yoke แบบ Double Acting และ Single Acting ดังรูปด้านล่าง

การออกแบบทั้งสองแบบ ทั้งแบบ Rack and Pinion และ แบบ Scotch Yoke ทำให้ได้แรงบิดที่แตกต่างกัน ดังรูป

ซึ่งจากกราฟจะเห็นได้ว่า แรงบิดของ Rack and Pinion จะให้ค่าที่คงที่สม่ำเสมอ ซึ่งจะสัมพันธ์การสูตรของ Torque ตามรูปที่12

Torque = แรง x ความยาว ซึ่งแบบ Rack and Pinion จะมีระยะทางที่คงที่ ทำให้ แรงบิดที่ออกมาคงที่ ซึ่งต่างจาก แบบ Scotch Yoke ซึ่งระยะทางจากจุดหมุนจะไม่คงที่

ซึ่งหัวขับแบบ Quarter Turn จะนำไปใช้กับวาล์ว ประเภทต่างๆ ดังรูปด้านล่าง

การเลือกใช้หัวขับกับวาล์ว ก็มีข้อควรระวัง       

Single Acting ต้องการแรงบิดที่สูงขึ้น เนื่องจากขณะที่หัวขับทำงาน แรงดันลมที่เข้าไปในกระบอก Pneumatic Actuator จะต้องชนะแรงสปริงของ Single Acting ได้ด้วย เช่น ถ้าเราใช้ Ball valve ขนาด 2 นิ้ว กับ Double Acting ที่แรงดันลม 5 bar แล้วเปลี่ยนเป็น Single Acting โดยใส่สปริงเข้าไปที่ Pneumatic Actuator แล้ว จะไม่สามารถ เปิด-ปิด วาล์วได้ร้อยเปอร์เซ็นต์ จะต้องลดขนาดของวาล์วลงเหลือ 1 นิ้ว เป็นต้น