Xi lanh thủy lực khí nén đang dần thay thế các hệ thống truyền động cơ khí và điện. Tất cả các nhà máy hiện nay đều dùng xi lanh thủy lực khí nén rất rất nhiều. Hiểu biết rõ về nó sẽ giúp anh em dễ dàng lựa chọn và sửa chữa hơn. Let’s go inside !!!
1. Giới thiệu xy lanh
1.1 Xi lanh là gì
Xy lanh khí nén trong tiếng anh là Pneumatic cylinder.
Xy lanh thủy lực trong tiếng anh là Hydraulic cylinder.
Xi lanh được định nghĩa là thiết bị trực tiếp chuyển hóa năng lượng khí nén hay dầu thủy lực dưới áp suất( thường là dưới 10 bar đối với khí nén) thành lực ở đầu cần nhằm thực hiện một chức năng nhiệm vụ nào đó như đẩy, kéo hay ép vật thể.
Sơ đồ cấu tạo xi lanh khí nén
Giải thích rõ hơn cho anh em là, dòng khí nén hay lưu lượng dầu vốn dĩ mang năng lượng, khi qua xy lanh thì năng lượng ấy chuyển thành lực đầu cần.
Một số ứng dụng thường thấy của xi lanh là xy lanh nâng hạ bàn sửa xe máy, xy lanh ép rác, xy lanh đẩy sản phẩm, xy lanh cấp phôi….
Những ứng dụng này có đặc điểm chung là, cần lực tác động thẳng có thể giữ hoặc nhấn nhả theo chu kì.
1.2 Phân loại xy lanh khí nén
Xy lanh khí nén parker
Xy lanh tác động kép( xy lanh 2 chiều) có khả năng sinh công ở cả 2 hành trình khi chúng ta cấp khí lần lượt vào 2 khoang. Trong cả hành trình tiến và lùi, xi lanh đều có thể sinh lực hoặc di chuyển với tốc độ nhanh mà ta có thể điều chỉnh được.
Xi lanh 1 chiều
Xy lanh tác động đơn( xy lanh 1 chiều) chỉ sinh công ở hành trình tiến và chỉ cấp khí vào một buồng duy nhất. Ở hành trình còn lại, xi lanh một chiều hồi vị tự do theo trọng lượng của cần( thường lắp thẳng đứng) hay lò xo bên trong.
Xy lanh 2 cần là một loại ít phổ biến hơn xong vẫn có rất nhiều ứng dụng cần loại xi lanh 2 cần. Sử dụng xi lanh hai cần trong trường hợp chúng ta muốn vận tốc tiến bằng vận tốc lùi hoặc lực sinh ra ở 2 bên cần là cần thiết.
xy lanh thủy lực 2 chiều
Xy lanh tầng sử dụng khi cần hành trình dài xong lại yêu cầu ngắn khi hồi vị. Thông thường có 4 tới 5 tầng và một ví dụ rõ nhất là ben xe tải hay công nông.
2. Cấu tạo của xy lanh
Xy lanh khí nén hay xy lanh thủy lực thì đều có cấu tạo rất giống nhau và thường chỉ khác vật liệu. Xy lanh cũng có rất rất nhiều loại, đa dạng để đáp ứng các ứng dụng khác nhau. Ở đây mình xin nêu cụ thể cấu tạo xy lanh cơ bản nhất.
2.1 Ống xy lanh
Xy lanh khí nén Parker
Đầu tiên là ống xi lanh. Ống xy lanh là một chi tiết dạng hình ống. Đường kính được tiêu chuẩn hóa( điều này quan trọng vì khi anh em tính đường kính để mua, anh em phải làm tròn lên và lựa theo dãy tiêu chuẩn). Chiều dày thành xi lanh thì tùy vào áp suất làm việc lớn hay nhỏ mà các nhà sản xuất xi lanh sẽ quy định chiều dày.
Bên trong ống xy lanh được gia công với độ bóng cao nhằm hạn chế tối đa ma sát sinh ra do quả pít tông và phớt xi lanh di chuyển tạo ra. Đối với những xy lanh có tần số hoạt động cao, chi tiết này rất đáng lưu ý và nó giúp nâng cao tuổi thọ sử dụng của xi lanh lên rất nhiều.
Vật liệu làm ống xi lanh thông thường là nhôm hoặc thép không gỉ( SUS 304, SUS 316). Với xi lanh rẻ tiền thì thường là nhôm còn xi lanh chất lượng tốt là inox. Vật liệu quy định mức áp suất sử dụng của xi lanh. Rõ ràng anh em đều biết, xi lanh nhôm chỉ có thể dùng để chế tạo xi lanh khí nén áp suất thấp. Xy lanh dầu hoặc xi lanh khí nén áp suất cao thì luôn được chế tạo bằng thép không gỉ.
2.2 Quả pít tông
Quả pít tông xy lanh
Quả pít tông là một chi tiết quan trọng của xy lanh. Thứ nhất nó cùng với ống xy lanh tạo ra khoang kín chứ khí hoặc chứa dầu, trực tiếp chuyển hóa áp năng thành lực. Thứ 2 nó chứa các chi tiết làm kín như gioăng phớt và dẫn hướng để đảm bảo chuyển hóa tối đa áp năng của dầu hoặc khí thành lực cũng như đảm bảo cho trục xy lanh luôn song song với ống.
Phần gioăng phớt và dẫn hướng xy lanh, mình đã có hai bài viết rất chi tiết cho anh em tham khảo:
Quay trở lại với quả pít tông xy lanh. Quả pít tông này được chế tạo bắt bu lông với cần hoặc hàn cứng lại. Đối với xi lanh thủy lực thì thường là hàn còn xi lanh khí nén hoặc xy lanh thủy lực loại áp thấp thì có thể dùng vít hoặc bắt bu lông.
Trên quả pít tông, người ta thường sẻ các rãnh để lắp phớt và dẫn hướng.
2.3 Nắp và đế xy lanh
Xy lanh khí nén vuông áp cao
Nắp và đế xy lanh được lắp ở 2 đầu ống xi lanh. Chức năng là làm kín 2 đầu ống và có kết cấu phù hợp để thực hiện một số chức năng nhất định.
Đầu tiên, nắp xi lanh trước. Nắp xi lanh cùng với ống xi lanh tạo thành khoang kín. Trên nắp thường được ta ro ren để lắp cút dẫn ống dầu hoặc ống khí nén vào. Kích thước ren và tiêu chuẩn ren là 2 chi tiết anh em cần phải quan tâm khi mua xi lanh. Về kiến thức mảng ren, anh em đọc bài viết sau là không cần phải đến trường học nữa:
Tiếp đó, nắp xy lanh có một đầu tiện rãnh để lắp gạt bụi xy lanh. 4 góc nắp xy lanh thì được tiện ren hoặc khoan trơn 4 lỗ sau lắp gu lông anh em ạ. Mục đích là để kẹp chặt nắp vào ống xy lanh mà thôi.
Phần tiếp là đế xi lanh. Đế xy lanh thì có cấu tạo phức tạo hơn xíu. Chức năng thì tương tự như nắp xy lanh thôi, dùng để bịt kín ống xy lanh. Đế cũng được ta ro ren để lắp cút nối khí nén hay cút nối thủy lực. Kích thước và tiêu chuẩn ren anh em cũng cần để ý.
Phần phức tạp mình muốn đề cập ở đây, chính là kết cấu của nó. Bên ngoài ngoài việc khoan lỗ trơn để lắp gu lông hoặc tiện ren, phần đế xy lanh còn kết cấu thêm phần cố định xy lanh vào thân máy hoặc vật cố định khác. Anh em xem ảnh nhé.
2.4 Cần pít tông
Cần pít tông
Cần pít tông là chi tiết nhận lực từ quả pít tông để tác động lên vật bên ngoài. Đặc điểm của cần pít tông là nó được chế tạo có độ bóng cao( nhằm khỏi gây rách phớt, hư hại gạt bụi). Có độ cứng và dẻo phải thích hợp. Lí do là vì nếu mềm quá, không thể đẩy hay ép vật nặng. Nếu cứng quá, rất dòn nên dễ gãy.
Cần pít tông được hàn vào quả pít tông hoặc lắp ren. Xi lanh khí nén thì thường lắp ren còn xy lanh thủy lực áp cao thường hay hàn chết cứng luôn.
Đầu cần pít tông là phần anh em cũng cần lưu ý. Đầu cần thường lăn ren để lắp với các chi tiết bên ngoài hoặc có cấu tạo phức tạp hơn. Anh em tham khảo hình ảnh nhé.
3. Nguyên lí hoạt động của xy lanh
Chuyển hóa năng lượng khí nén thành lực
Phần định nghĩa, mình đã đề cập tới chức năng nhiệm vụ của xy lanh rồi. Để anh em hình dung ra cơ chế chuyển hóa năng lượng rõ hơn, mình sẽ giải thích chi tiết hơn bằng nguyên lí hoạt động của xy lanh.
Không khí sau khi được nén lại, sẽ mang một năng lượng nhất định và luôn có xu hướng giãn nở ra về trạng thái ban đầu. Điều này tương tự như khi anh em bóp lò xo nén lại, nó sẽ đàn hồi về kích thước ban đầu nên sinh ra lực đàn hồi vậy.
Khi khí này được cấp vào bên trong xi lanh, không khí sẽ giãn nở ra và đẩy vào quả piston tạo thành lực và đó là cơ chế chuyển hóa áp năng thành lực của xy lanh khí nén.
Còn đối với xi lanh dầu, bơm thủy lực sẽ nhận momen từ động cơ điện rồi tạo ra dòng lưu lượng liên tục. Dòng lưu lượng này chuyển động với vận tốc xác định rồi tiến thẳng vào buồng xy lanh rồi đẩy pít tông đi. Khi pit tông gặp tải trọng thì dừng lại, áp suất liên tục tăng lên để ” cố gắng ” thắng tải trọng cản. Và khi đó, lực được tạo ra chính là ” sản phẩm” của quá trình chuyển hóa năng lượng.
Đó là nguyên lý ngắn gọn của xy lanh thủy lực khí nén.
Nguyên lí hoạt động của xi lanh khí nén
4. Tính chọn xy lanh
Xy lanh khí nén và phụ kiện
Xy lanh thủy lực hay khí nén thì đều có cách chọn giống nhau cả. Các thông số cần thiết để chọn xy lanh là:
- Đường kính ống xy lanh
- Đường kính cần xy lanh
- Hành trình xy lanh
- Áp suất làm việc max
- Kiểu lắp ghép cố định
- Kết cấu đầu cần
- Cửa ren kết nối
Ok giờ mình sẽ hướng dẫn anh em lựa chọn từng thông số một nhé.
Đường kính ống xy lanh giúp chúng ta xác định được lực mà xy lanh tạo ra khi biết áp suất. Muốn biết được lực tạo ra bao nhiêu thì anh em nhìn vào công thức sau nhé:
F tiến = p*(π/4) × D2
F lùi = p*(π/4) ×( D2– d2)
Trong đó:
- F tiến chính là lực mà xi lanh tạo ra khi xi lanh đi từ phải qua trái và ngược lại đối với F lùi. Đơn vị thường dùng của lực trong công thức này là Niuton ( N).
- p chính là áp suất khí nén chúng ta cấp vào khoang cho xi lanh. Đơn vị chuẩn của áp suất trong công thức này là Pa hay N/m2 song thông thường, máy nén khí lại thường có đơn vị là bar. Thường thì áp suất khí nén được hiển thị trên đồng hồ đo áp suất.
Công thức quy đổi như sau: 1 bar = 10^5 Pa.
- D chính là đường kính xi lanh ( m).
- d là đường kính cần xi lanh( m).
Anh em muốn xi lanh sinh ra được bao nhiêu niu tơn thì thay vào công thức tìm ra D. Sau đó chọn xi lanh khí nén có đường kính gần nhất và lớn hơn để mua. Nên nhớ rằng, đường kính xy lanh được tiêu chuẩn hóa.
Xi lanh khí nén 2 chiều
Tiếp theo là đường kính cần xy lanh. Thường thì anh em không cần quan tâm tới thông số này vì các nhà sản xuất họ đã tiêu chuẩn hóa rồi. Anh em chỉ cần quan tâm tới đường kính ống xy lanh được rồi.
Nếu chế tạo xy lanh, một số cơ sở vẫn gia công xy lanh thủy lực theo yêu cầu của khách hàng, thì anh em lấy theo con số kinh nghiệm nhé. Đường kính cần pít tông = 0,4 x đường kính ống xy lanh.
Hành trình xy lanh là thông số phụ thuộc vào vị trí lắp ghép cụ thể của anh em. Anh em cần xy lanh hành trình bao nhiêu thì chọn lựa. Lưu ý là hành trình xy lanh cũng tiêu chuẩn hóa và là bội của 5. Ví dụ 5, 10, 15….
Áp suất làm việc max là thông số quan trọng để xác định khả năng tạo lực max. Áp suất và đường kính xy lanh sẽ cho chúng ta biết, xy lanh có thể đáp ứng được ứng dụng của bạn hay không. Thông số này được nhà sản xuất xy lanh quy định.
Kiểu lắp ghép tức là anh em sẽ cố định xy lanh vào thân máy, vào panel hay vào nền kiểu gì. Đây là thông số quan trọng để lắp ghép. Đây là phần quan trọng để anh em lắp ghép nên mình sẽ trình bày một phần riêng bên dưới.
Xy lanh khí nén chất lượng cao Parker
Thông số tiếp theo là kết cấu đầu cần. Tương tự như kiểu lắp ghép, thông số đầu cần giúp anh em thuận tiện trong việc lắp ghép cần với chi tiết bên ngoài. Anh em tham khảo một số kết cấu nhé.
Phần cuối cùng là cửa ren. Cửa ren chính là phần kết nối ống hơi hoặc ống dầu vào bên trong xi lanh. Đơn giản nhất là anh em chỉ cần xác định rõ 2 thành phần là kích thước ren và tiêu chuẩn ren.
Kích thước ren chính là phần anh em xác định để sau lắp với cút nối khí hoặc tuy ô thủy lực. Tiêu chuẩn ren đảm bảo cho việc lắp ghép cút nối phải phù hợp với tiêu chuẩn của xi lanh. Đối với xy lanh thủy khí parker, họ đưa ra một số kí hiệu về cửa ren ống xy lanh.
- Kiểu T: Tiêu chuẩn SAE ren trụ có O ring làm kín
- Kiểu U: Ren NPT và chỉ dùng cho xy lanh khí nén
- Kiểu R: Kiểu ren BSPP
- Kiểu P: Tiêu chuẩn SAE chỉ dùng cho những ứng dụng cần cửa lớn
- Kiểu B: Kiểu ren BSPT
- Kiểu G: Ren hệ mét
- Kiểu Y: Ren hệ mét tiêu chuẩn ISO-6149-1 dùng cho xy lanh thủy lực
5. Các kiểu gá đặt xy lanh
Chủ yếu ở phần này, mình sẽ nói về cách gá đặt xi lanh một cần. Có khoảng 20 cách gá đặt tiêu chuẩn từ đầu tới cuối xi lanh nhưng có thể thu gọn lại thành 3 nhóm chính.
Nhóm 1: Lực thẳng tác động của xi lanh cố định được tạo ra giữa tâm trục ống xi lanh
Nhóm 2: Lực thẳng tác động của xi lanh cố định nhưng không đi qua tâm trục( chỉ song song)
Nhóm 3: Lực đi qua tâm trục song cho phép xi lanh di chuyển trên một mặt phẳng
Việc gá đặt xi lanh có thể làm ảnh hưởng tới áp suất tối đa mà xi lanh có thể tải được cũng như kéo dài thời gian vận hành và bảo dưỡng xi lanh. Anh em cần phải cân nhắc kiểu gá đặt cho phù hợp.
5.1 Gá đặt xi lanh nhóm 1.
Xi lanh khí nén gá mặt đầu
Kiểu gá đặt hấp thụ lực qua trục ống xi lanh là kiểu lắp đặt xi lanh được xem là tối ưu nhất. Khi cần thò ra bích gá đặt đối xứng cho phép đẩy truyền lực đồng bộ giàn đều theo trục xi lanh.
Gá đặt nhóm 1 được thực hiện qua bích gắn ở cổ hoặc đế của ống xy lanh khí hoặc cả 2 vị trí đầu cuối tương ứng với kiểu xy lanh TB, TC hay TD. Với bích lắp bu lông ở 2 vị trí này, xy lanh có thể được bố trí lắp đặt trên tấm panel, thân máy hay thậm tri là tường vách bằng kim loại.
Bích lắp ghép ở 2 vị trí đó thuộc các chủng loại bích chữ nhật lắp ở cổ xy lanh J, bích vuông lắp cổ lanh JB, bích chữ nhật lắp đế xi lanh kiểu H, bích lắp bu lông đế xi lanh vuông kiểu HB.
Đối với những ứng dụng xi lanh dùng lực đẩy, bích lắp đế xy lanh được khuyến cáo dùng tốt hơn. Đối với những ứng dụng xy lanh kéo, bích lăp cổ xy lanh được khuyến cáo dùng tốt hơn.
Điều này được giải thích như này: khi xy lanh kéo là chủ yếu, anh em dùng kiểu gá đặt ở cổ xy lanh thì bích sẽ không phải chịu chịu ứng suất uốn vì điểm chịu lực max là cổ xi lanh khi thực hiện lực kéo. Nếu anh em lắp ở đế xy lanh, tất nhiên là bích và bu lông sẽ phải chịu một ứng suất uốn lớn có thể gây hư hỏng.
5.2 Gá đặt xi lanh nhóm 2.
Xi lanh khí nén gá xoay
Gá đặt kiểu chốt xoay cũng cho phép chống được phản lực dọc trục thân xy lanh. Loại gá đặt này được sử dụng trong những ứng dụng mà cơ cấu được di chuyển theo một đường cong không phải thẳng.
Có 2 kiểu cơ bản là chốt xoay lắp ở đế xi lanh hoặc chốt xoay lắp ở giữa thân xi lanh. Và ở cả 2 kiểu xi lanh khí đều có thể dùng đẩy hay kéo thoải mái mà không có chú ý gì về ưu nhược điểm.
Xi lanh khí gá đặt chốt xoay ở đế trong tiếng anh là clevis. Chúng thường được tích hợp là một phần ở đế. Chốt xoay có chiều dài phù hợp và đường kính đủ để chịu đựng được lực cắt.
Kiểu BB là phổ biến nhất, được sử dụng trên những ứng dụng mà cần pít tông phải di chuyển theo một đường cong trên một mặt phẳng( khác với xi lanh thông thường được cố định chặt tại một vị trí). Xy lanh có thể di chuyển một góc rất rộng, thẳng đứng nằm ngang xoay tròn quanh chốt.
Ngoài ra còn một số kiểu gá đặt xi lanh ở thân ống xy lanh như các hình vẽ dưới đây.
5.3 Gá đặt xi lanh nhóm 3
Xi lanh khí nén gá đặt dưới
Kiểu gá đặt xi lanh này làm lực tác động không đi qua trọng tâm của ống xy lanh. Tức là, phần gá xy lanh, lực giữ cố định xy lanh không song song với ống xy lanh.
Kiểu lắp ghép này không có lợi cho cố định xy lanh về mặt lực nhưng lại thuận tiện trong việc lắp ghép.
6. Một số loại xy lanh
Dưới đây mình xin giới thiệu cho anh em một số loại xy lanh thông dụng phổ biến. Cả xy lanh thủy lực và khí nén nhé.
Xi lanh khí nén vuông mini
Xi lanh khí nén kẹp
Xi lanh khí nén SMC đôi
Xy lanh khí nén SMC
Xi lanh khí nén Airtac
Xy lanh khí nén mini
Xi lanh khí nén 2 cần dẫn hướng
7. Một số hư hỏng và cách khắc phục
7.1 Hư hỏng gioăng phớt
Gioăng phớt biến dạng
Hư hỏng gioăng phớt chiếm tới 80% nguyên nhân khiến xy lanh của chúng ta dừng hoạt động. Với đặc điểm là vật liệu làm bằng cao su, nhựa yếu ớt, gioăng phớt trong xy lanh là nơi hiểm yếu nhất.
Một số dạng hỏng điển hình cửa gioăng phớt là mòn, rách, nứt hay biến dạng nhiệt. Chi tiết hơn anh em tham khảo bài viết về gioăng phớt bên trên nhé.
Ngoài gioăng phớt ra, dẫn hướng xy lanh cũng hay bị mòn do tần số hoạt động của chúng lớn. Theo thời gian cũng cần phải thay định kì hàng năm.
Dấu hiệu nhận biết hư hỏng phớt là xy lanh không lên áp hoặc xy lanh đẩy yếu hoặc ép yếu. Bơm chạy hệ thống vẫn hoạt động mà xy lanh không đẩy tải được. Đó là do gioăng phớt làm kín pít tông không tốt dẫn đến dầu rò rỉ qua buồng thấp áp gây tổn thất áp suất.
7.2 Gãy cần xy lanh
Xy lanh thủy lực bị uốn cần
Cần xy lanh pít tông chỉ gãy khi quá tải hệ thống. Xy lanh trên máy xúc máy cẩu thường xuyên làm việc ở địa hình khó đoán trước được tải trọng. Nếu van an toàn trục trặc thì cũng rất dễ gãy.
Gãy cần xy lanh chủ yếu do sự cố. Còn phần đa, cần xy lanh hay bị trầy trước. Với những vết xước nhỏ, chúng ta có thể xử lí được bằng cách mài bóng. Với những vết xước trên cần xy lanh lớn mà đặc biệt là xước dọc cần xy lanh, chúng ta phải thay mới.
Biện pháp phòng tránh là lắp van an toàn cho hệ thống và tránh tối đa các tác nhân bên ngoài gây xước cần. Bụi bẩn cát trong hệ thống sẽ làm xước cần và ống xy lanh dưới áp suất cao.
Ok đó là toàn bộ kiến thức về xy lanh thủy lực khí nén. Hi vọng giúp ích ít nhiều cho anh em. Liên hệ để được tư vấn thêm nhé.
