Cấu tạo của xi lanh khí nén

Việc hiểu rõ cấu tạo sẽ giúp bạn có được kiến thức toàn diện, không thiên lệch và có thể ứng dụng trong nhiều tình huống khác nhau. Những người mới bắt đầu tìm hiểu về thiết bị khí nén hoặc những người thực hiện công tác bảo trì bảo dưỡng có thể tận dụng những kiến thức trong bài viết này.

Ở đây, chúng tôi sẽ giải thích về loại xi lanh khí nén kiểu ty (rod type) phổ biến nhất. Xin lưu ý rằng các loại xi lanh không ty (rodless cylinder), bộ truyền động quay (rotary actuator), kẹp khí (air chuck) không thuộc phạm vi bài viết này.

Mục lục

1. Ôn lại nguyên lý hoạt động cơ bản của xi lanh khí nén
2. Các bộ phận cơ bản cần thiết cho hoạt động
   • 2.1. Ống xi lanh (Cylinder Tube)
   • 2.2. Piston
   • 2.3. Ty piston (Rod)
   • 2.4. Cổng khí (Port)
3. Các bộ phận cần thiết để ngăn rò rỉ khí
   • 3.1. Phớt piston
   • 3.2. Phớt ty
   • 3.3. Gioăng
4. Các bộ phận cần thiết để nâng cao khả năng chịu tải ngang
   • 4.1. Vòng dẫn hướng (Wear Ring)
   • 4.2. Bạc dẫn hướng (Bush)
   • 4.3. Cơ cấu dẫn hướng
5. Các bộ phận cần thiết để giảm chấn
   • 5.1. Đệm cao su
   • 5.2. Kim giảm chấn và phớt giảm chấn
   • 5.3. Bộ giảm xóc
6. Các bộ phận cần thiết để duy trì bôi trơn khi hoạt động
   • 6.1. Mỡ bôi trơn
   • 6.2. Gạt bụi (Scraper)
   • 6.3. Lub Keeper
7. Các bộ phận cần thiết để phát hiện vị trí
   • 7.1. Cảm biến xi lanh
   • 7.2. Nam châm

1. Ôn lại nguyên lý hoạt động cơ bản của xi lanh khí nén

Trước tiên, hãy cùng ôn lại nguyên lý hoạt động cơ bản của xi lanh khí nén. Xi lanh khí nén là thiết bị hoạt động nhờ lực khí nén và tạo ra lực đẩy. Khi cấp khí nén, áp suất sẽ tác dụng lên piston và làm cho ty piston chuyển động.

Khi xả khí nén ở phía ty và cấp khí nén vào phía không ty, ty piston sẽ tiến ra.

Ngược lại, khi xả khí nén ở phía không ty và cấp khí nén vào phía ty, ty piston sẽ lùi về.

Đó là nguyên lý hoạt động cơ bản của xi lanh khí nén tác động kép. Ngoài ra còn tồn tại loại xi lanh khí nén tác động đơn có cấu tạo sử dụng lò xo cho chuyển động hồi về.

2. Các bộ phận cơ bản cần thiết cho hoạt động

Giới thiệu các bộ phận tối thiểu cần thiết để xi lanh khí nén hoạt động.

2.1. Ống xi lanh (Cylinder Tube)

Là phần thân chính của xi lanh, còn được gọi là thân máy (body). Loại cơ bản có dạng hình trụ và hai đầu được lắp nắp đậy. Vật liệu thường sử dụng là nhôm hoặc thép không gỉ.

Ngoài dạng hình vuông cũng có các loại khác, nhưng mặt trong vẫn có dạng hình trụ tương tự. Do mặt trong tiếp xúc trượt với piston nên được gia công mài chính xác và xử lý bề mặt.

2.2. Piston

Là bộ phận nhận áp lực khí nén để tạo chuyển động.

Lực đẩy thay đổi tỷ lệ thuận với diện tích chịu áp của piston. Vì vậy, khi muốn tăng lực đẩy, cần lựa chọn xi lanh có đường kính piston lớn hơn.

2.3. Ty piston (Rod)

Là bộ phận truyền lực đẩy đến đối tượng tác động (workpiece) hoặc dùng để liên kết với các chi tiết gá lắp.

Đây là bộ phận có thể quan sát chuyển động từ bên ngoài và hoạt động cùng với piston.

Đầu ty thường được gia công ren để lắp các phụ kiện. Ngoài ra, bề mặt ngoài của ty được gia công độ chính xác cao và mạ bề mặt do tiếp xúc trượt với nắp phía ty.

2.4. Cổng khí (Port)

Trên nắp hoặc thân xi lanh có bố trí các cổng để cấp và xả khí nén.

Thông thường có tổng cộng hai cổng ở phía ty và phía không ty (đối với xi lanh tác động đơn chỉ có một cổng). Trên cổng được gia công ren trong để lắp đầu nối hoặc van tiết lưu.

3. Các bộ phận cần thiết để ngăn rò rỉ khí

Do xi lanh khí nén sử dụng khí nén nên nếu có khe hở, khí nén sẽ bị rò rỉ ra ngoài. Khi xảy ra rò rỉ, áp suất trong xi lanh giảm xuống và không thể đạt được hiệu suất cần thiết, do đó cần có các bộ phận ngăn rò rỉ.

3.1. Phớt piston

Là chi tiết cao su được lắp trên piston. Có tác dụng ngăn rò rỉ khí qua khe hở giữa piston và ống xi lanh.

Phớt piston chia xi lanh thành khoang phía ty và khoang phía không ty. Chênh lệch áp suất giữa hai khoang ảnh hưởng lớn đến lực đẩy.

Do đó, nếu phớt piston bị mòn và rò khí, lực đẩy cần thiết sẽ không đạt được, nghiêm trọng hơn là xi lanh không thể hoạt động.

Vật liệu cơ bản là cao su nitrile. Trong môi trường nhiệt độ cao sẽ sử dụng cao su fluorine. Ngoài ra, khi cần giảm ma sát trượt (phiên bản ma sát thấp, tốc độ thấp), bề mặt sẽ được xử lý đặc biệt để cải thiện tính trượt.

3.2. Phớt ty

Là chi tiết cao su được lắp trên nắp phía ty. Được sử dụng để ngăn rò rỉ khí qua khe hở giữa mặt trong nắp phía ty và bề mặt ngoài của ty.

Nếu phớt ty bị mòn gây rò khí, áp suất trong khoang phía ty sẽ giảm.

Khi đó lực đẩy trong quá trình lùi về sẽ giảm và trong trường hợp nghiêm trọng sẽ không thể thực hiện chuyển động lùi.

Vật liệu giống với phớt piston, thông thường là cao su nitrile, còn ở nhiệt độ cao sử dụng cao su fluorine. Khi cần giảm ma sát trượt sẽ được xử lý bề mặt.

3.3. Gioăng

Là chi tiết cao su cần thiết để ngăn khí nén bên trong xi lanh rò rỉ ra ngoài. Được lắp giữa ống xi lanh và các nắp ở hai đầu.

Do không có chuyển động trượt nên hầu như không bị mài mòn. Tuy nhiên, trong quá trình bảo dưỡng nếu lắp sai vị trí hoặc quên lắp sau khi tháo ra sẽ gây rò khí.

Rò khí sẽ dẫn đến giảm lực đẩy và gây lỗi hoạt động.

Vật liệu cơ bản là cao su nitrile, còn ở nhiệt độ cao sử dụng cao su fluorine.

4. Các bộ phận cần thiết để nâng cao khả năng chịu tải ngang

Trong nhiều trường hợp, ty xi lanh phải chịu tải ngang. Nếu không có biện pháp chống tải ngang, ngay cả tải nhỏ cũng có thể làm phớt ty bị mòn sớm, ảnh hưởng lớn đến độ bền và làm giảm độ thẳng của chuyển động.

4.1. Vòng dẫn hướng (Wear Ring)

Là bộ phận được lắp trên piston nhằm nâng cao khả năng chịu tải ngang và cải thiện độ thẳng của chuyển động. Tiếp xúc với mặt trong của ống xi lanh và đóng vai trò dẫn hướng.

Vật liệu chủ yếu là nhựa có hệ số ma sát thấp.

4.2. Bạc dẫn hướng (Bush)

Là bộ phận được lắp trên nắp phía ty, đóng vai trò dẫn hướng cho ty, giúp tăng khả năng chịu tải ngang và độ thẳng chuyển động. Còn được gọi là ổ đỡ (bearing).

Chiều dài theo hướng hành trình càng lớn thì hiệu quả càng cao.

Vật liệu thường là kim loại như sắt có chứa dầu bôi trơn để cải thiện tính trượt hoặc vật liệu nhựa.

4.3. Cơ cấu dẫn hướng

Khi tải ngang lớn, cần bố trí thêm cơ cấu dẫn hướng riêng. Tuy nhiên cũng tồn tại loại xi lanh có tích hợp sẵn cơ cấu dẫn hướng gọi là xi lanh dẫn hướng (Guide Cylinder).

Có các loại sử dụng ray dẫn hướng tuyến tính hoặc trục dẫn hướng.

Ưu điểm là có thể tích hợp khả năng dẫn hướng trong không gian nhỏ gọn.

5. Các bộ phận cần thiết để giảm chấn

Xi lanh khí nén chuyển động mà không giảm tốc cho đến khi chạm điểm cuối hành trình.

Do đó, khi tải trọng lớn hoặc tốc độ chuyển động cao, va đập có thể rất mạnh và gây hư hỏng cho xi lanh hoặc cơ cấu máy.

Khi cần giảm va đập, phải bổ sung các bộ phận tùy chọn.

5.1. Đệm cao su (Rubber Cushion)

Giảm chấn bằng cách cho đệm cao su tiếp xúc tại điểm cuối hành trình.

Khả năng giảm chấn ở mức vừa phải nhưng có thể thực hiện với chi phí thấp.

5.2. Kim giảm chấn và phớt giảm chấn

Là các bộ phận được sử dụng trong cấu hình Air Cushion.

Bằng cách điều chỉnh lưu lượng khí xả ở cuối hành trình bằng kim giảm chấn, tốc độ chuyển động ở cuối hành trình sẽ giảm xuống và làm giảm va đập.

Cấu tạo hoạt động bằng cách phần nhô ra của piston được bao phủ bởi phớt giảm chấn, làm lưu lượng khí xả bị tiết lưu và giảm tốc.

Mặc dù giá thành cao hơn đệm cao su, nhưng do giảm tốc trước khi va chạm nên có thể đạt hiệu quả giảm chấn cao.

Nếu phớt giảm chấn bị mòn gây rò khí thì sẽ không thể giảm tốc được. Trong trường hợp đó cần thay thế phớt.

Bộ giảm xóc

Là cơ cấu giảm chấn được lắp đặt bên ngoài xi lanh khí nén. Về cơ bản cần được lắp riêng trên thiết bị, tuy nhiên trong một số trường hợp như xi lanh dẫn hướng, nó có thể được tích hợp sẵn.

Có thể giảm chấn va đập lớn hơn so với đệm khí (air cushion). Tuy nhiên cần lưu ý rằng nhược điểm của nó là tần suất hỏng hóc tương đối cao và cần có không gian lắp đặt.

6. Các bộ phận cần thiết để duy trì bôi trơn khi hoạt động

Khi xi lanh khí nén hoạt động, tại các bề mặt trượt sẽ phát sinh lực cản ma sát. Nếu lực cản ma sát lớn sẽ gây ra các vấn đề như giảm lực đẩy, tăng áp suất khởi động tối thiểu và làm các loại phớt bị mài mòn sớm.

Việc duy trì bôi trơn tại các bề mặt trượt là yếu tố quan trọng để nâng cao tuổi thọ của xi lanh khí nén.

6.1. Mỡ bôi trơn

Là chất bôi trơn có độ nhớt cao hơn dầu và có tính lưu động thấp.

Do tính lưu động thấp nên có đặc tính lưu lại tại vị trí được bôi, nhờ đó có thể duy trì khả năng bôi trơn trong thời gian dài. Mỡ được sử dụng tại các vị trí trượt như các loại phớt và bề mặt ngoài của ty piston.

Trước đây người ta duy trì khả năng bôi trơn bằng cách cấp dầu liên tục, nhưng trong những năm gần đây, trong hầu hết các trường hợp đều sử dụng mỡ bôi trơn.

Loại mỡ sử dụng cho xi lanh khí nén chủ yếu là mỡ gốc xà phòng lithium; trong môi trường nhiệt độ cao thường sử dụng mỡ gốc fluorine.

6.2. Gạt bụi (Scraper)

Scraper là bộ phận dùng để ngăn bụi và hơi ẩm từ bên ngoài xâm nhập vào bên trong xi lanh thông qua phần ty piston.

Là bộ phận được lắp trên nắp phía ty. Có trường hợp được trang bị tiêu chuẩn, nhưng chủ yếu là bộ phận tùy chọn có thể lắp thêm.

Khi bụi từ bên ngoài xâm nhập vào bên trong xi lanh, thành phần dầu trong mỡ bôi trơn sẽ bị hấp thụ. Khi hơi ẩm cạn kiệt, mỡ sẽ bị cuốn trôi và mất khả năng bôi trơn.

Trong môi trường có bụi hoặc nước bắn vào xi lanh khí nén, việc lắp scraper giúp duy trì khả năng bôi trơn và kéo dài tuổi thọ của xi lanh khí nén.

6.3 Lub Keeper

Là bộ phận dạng sợi được lắp trên nắp phía ty.

Bộ phận này được tẩm chất bôi trơn và có thể duy trì sự bôi trơn cho bề mặt ngoài của ty piston trong thời gian dài.

Trong môi trường có nhiều bụi, khi chỉ sử dụng scraper không đủ hiệu quả, Lub Keeper thường được lắp thêm.

Đây là một tùy chọn có thể đóng góp lớn vào việc kéo dài tuổi thọ của xi lanh khí nén.

Trong nhiều trường hợp, nó được lắp giữa scraper và phớt ty.

7. Các bộ phận cần thiết để phát hiện vị trí

Giới thiệu các bộ phận cần thiết để phía thiết bị (PLC) xác định được xi lanh khí nén đã tiến ra hay đã lùi về.

7.1. Cảm biến xi lanh

Là cảm biến có thể lắp trên xi lanh khí nén và có khả năng phát tín hiệu đầu ra khi phản ứng với từ trường.

Có nhiều loại như loại tiếp điểm, không tiếp điểm, loại 2 dây hoặc loại 3 dây.

Cần lựa chọn phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của thiết bị.

Nếu muốn xác nhận tín hiệu đầu ra ở cả vị trí tiến và lùi thì cần sử dụng hai cảm biến xi lanh.

7.2 Nam châm

Do cảm biến xi lanh hoạt động bằng cách phản ứng với từ trường nên để sử dụng được, trên piston cần phải được lắp nam châm.

Cảm biến xi lanh sẽ phản ứng khi nam châm được lắp trên piston tiến lại gần.

Do đó, việc lắp cảm biến xi lanh trên một xi lanh không có nam châm là không có ý nghĩa, cần lưu ý điểm này.

Tóm lại

Trong bài viết này, chúng tôi đã thực hiện phần giải thích toàn diện về cấu tạo của xi lanh khí nén, từ nguyên lý hoạt động cơ bản, vai trò của từng bộ phận quan trọng cho đến các bộ phận tùy chọn đảm nhiệm những chức năng đặc biệt.

Nhờ đó, từ người mới bắt đầu đến chuyên gia đều có thể nâng cao kiến thức cơ bản về xi lanh khí nén và thu được những thông tin hữu ích cho việc vận hành cũng như bảo trì.

Việc hiểu rõ cấu tạo của xi lanh khí nén là bước đầu tiên để phát huy tối đa hiệu suất của thiết bị sử dụng nó và hiện thực hóa việc vận hành ổn định trong thời gian dài.

XTMechanical Blog xin cảm ơn mọi người vì đã luôn dành thời gian, tình cảm cho chúng mình! Thông qua bài viết, chúng mình hy vọng có thể lan toả niềm đam mê và tiếp thêm động lực, kiến thức cho mọi người. Cuối cùng, dù bao nhiêu khó khăn, xin chúc các bạn luôn vững bước và thành công trên chính con đường mình đã chọn!

 

Tác giả: Nguyễn Văn Hoà

             Bive

 

Tham khảo:

エアシリンダの構造解説：初心者から専門家まで理解できる完全ガイド | 空気圧機器の匠