Xi lanh khí nén là thiết bị cơ học sử dụng khí nén để tạo ra chuyển động cơ năng cho các thiết bị khác. Trong lĩnh vực van công nghiệp xi lanh khí nén chính là thiết bị truyền động và được sử dụng phổ biến trong hệ thống van khí nén như van bướm, van bi… Vậy xi lanh khí nén là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động như thế nào? Chi tiết cụ thể sẽ được chúng tôi tổng hợp qua bài viết dưới đây.
Giới thiệu về xi lanh và thiết bị truyền động bằng khí nén
1. Xi lanh khí nén là gì?
Xi lanh khí nén
Xi lanh khí nén (pneumatic cylinder) còn được gọi là ben khí nén, đây là một thiết bị truyền động vận hành dạng cơ năng nhờ việc sử dụng khí nén để tạo ra lực cung cấp cho chuyển động. Xi lanh giúp chuyển hóa năng lượng của khí nén thành động năng dưới tác dụng của piston thông qua truyền động đến thiết bị hoạt động. Bởi vì khí nén có khả năng dãn nở ở áp suất lớn, vậy nên để tạo ra lực đẩy cho xi lanh theo hướng mong muốn cần tác động năng lượng từ bên ngoài.
So với xi lanh thủy lực thì xi lanh khí nén được sử dụng nhiều hơn, thông dụng hơn. Bởi khí nén là nguồn năng lượng sạch sẽ, quá trình vận hành của xi lanh êm ái, ít gây tiếng ồn và không tốn nhiều diện tích. Cũng chính vì thế, hiện nay xi lanh khí nén được ứng dụng trong nhiều ngành như công nghiệp, tự động hóa, đời sống hàng ngày…
2. Cấu tạo
Về cấu tạo, xi lanh và thiết bị truyền động bằng khí nén sẽ được thiết kế gồm 5 bộ phận chính như sau:
Cấu tạo xi lanh khí nén
- Thân trụ (barrel): được thiết kế bằng chất liệu hợp kim cứng như thép, nhôm hoặc inox có độ bền cơ học cao, không bị ăn mòn hoặc oxy hóa trong nhiều môi trường khác nhau.
- Piston: được kết cấu có dạng hình trụ với chất liệu nhôm silic có độ cứng 90-130 HB, là bộ phận chính tạo ra cơ năng.
- Trục piston (piston rod): được thiết kế có các lỗ ngang, chất liệu inox, thép không gỉ…có nhiệm vụ giữ cố định và hướng dẫn giúp cho piston chuyển động trong xilanh
- Lỗ cấp khí (cap-end port): được thiết kế ở phần đầu , có nhiệm vụ cấp khí vào bên trong và tạo lực đàn hồi cho xi lanh hoạt động.
- Lỗ thoát khí (rod-end port): nằm ở phần cuối, có chức năng xả khí ra khi piston chuyển động.
3. Nguyên lý hoạt động
Khi lắp đặt xi lanh vào đúng vị trí và cấp khí nén vào bên trong thông qua ống dẫn khí và cửa vào xi lanh. Lượng khí nén tăng dần sẽ chiếm lấy không gian bên trong kéo theo piston phải dịch chuyển tịnh tiến hoặc momen xoắn và truyền động điều khiển thiết bị bên ngoài. Khi piston chuyển động, khí nén sẽ đi qua cửa ra và xả ra môi trường bên ngoài, kết thúc một chu kỳ hoạt động. Qúa trình này sẽ được diễn ra liên tục cho đến khi ngừng cấp khí vào xi lanh.
Lưu ý; Trong quá trình vận hành để điều chỉnh tốc độ xi lanh cần điều khiển, đảo chiều khí nén thông qua van điều khiển.
Phân loại xi lanh khí nén
Theo kiểu tác động
Xi lanh một chiều – Bộ truyền động tác động đơn
Xi lanh khí nén 1 chiều
Xi lanh 1 chiều sẽ được thiết kế có một lỗ cấp khí trên thân, không khí sẽ được cấp vào thông qua lỗ này và chịu trách nhiệm cho sự chuyển động của piston theo 1 hướng. Cụ thể là sử dụng áp lực sinh ra từ việc nén khí theo 1 chiều nhất định. Khi cấp khí, van sẽ chuyển động sang trạng thái ngược lại so với mặc định. Nếu muốn chuyển động theo hướng ngược lại thì ngừng cấp khí, khi đó lực đàn hồi của lò xo hoặc một lực từ bên ngoài sẽ đưa van quay về vị trí ban đầu.
Khi điều khiển một chiều cần sử dụng van điện từ khí nén 3/2 (van điện từ có 3 cửa và 2 vị trí) và kiểu tác động này thường được sử dụng trong van thường đóng hoặc van thường mở. Ngoài ra, xy lanh tác động đơn còn có 2 dạng cơ bản là xy lanh kiểu piston và xy lanh kiểu màng. Và còn tồn tại nhược điểm là áp lực tác động gây ra không nhất quán trong toàn bộ hành trình bởi lực lò xo tác động ở mỗi giai đoạn thường khác nhau.
Xi lanh 2 chiều – Bộ truyền động tác động kép
Xi lanh khí nén 2 chiều
Về cơ bản, kiểu tác động này sẽ theo 2 chiều nên được gọi là tác động kép và trên thân cũng sẽ được cấu tạo gồm 2 lỗ, tương ứng với 2 chiều khí nén đi ra và đi vào của bộ truyền động. Lực đẩy piston sẽ được sản sinh từ 2 chiều. Nguyên lý hoạt động của xi lanh 2 chiều hiểu đơn giản là thay đổi áp suất không khí, bên cao hơn sẽ đẩy piston sang hướng còn lại. Cụ thể, khi cấp khí nén vào 1 chiều, dưới áp lực của khí nén piston sẽ được di chuyển đi lên. Khi ngừng cấp khí piston sẽ được đẩy về vị trí ban đầu.
Xi lanh 2 chiều thường điều khiển bằng van điện từ khí nén 4/2, 5/2 hoặc 5/3 vì dễ dàng chỉnh lưu lượng khí. Và được sử dụng nhiều trong những hệ thống yêu cầu thực hiện 2 chiều bởi ưu điểm kiểm soát thiết bị tốt. Tuy nhiên có một điểm hạn chế là khí nén cấp vào từ 2 hướng do đó trong trường hợp mất áp suất hoặc xảy ra sự cố sẽ dẫn đến ngừng chuyển động gây ảnh hưởng xấu cho hệ thống.
Theo cơ chế truyền động
Truyền động xoay ngang
Trong bộ truyền động quay, chuyển động tuyến tính của piston được điều khiển bằng khí nén sẽ chuyển đổi thành momen xoắn thông qua cơ cấu bánh răng truyền động. Bao gồm một bánh răng tròn và thanh răng kết nối với trục của piston, khi piston dịch chuyển là thanh răng sẽ chuyển động tịnh tiến tạo ra các momen xoắn nhờ các bánh răng.
Ưu điểm của cơ chế truyền động này là cung cấp phạm vi momen xoắn lớn nhất, hiệu suất cơ học cao với momen tạo ra có thể lên đến một vài Nm đến vài nghìn Nm. Ngoài ra cũng có hạn chế là dễ xảy ra sai lệch, không ăn khớp giữa thanh răng và bánh răng trong quá trình gia công. Hậu quả dẫn đến khi hoạt động ở cường độ cao dễ tạo ra rung động lớn, mài mòn bánh răng và làm giảm tuổi thọ.
Truyền động trục đứng
Truyền động dạng trục đứng sẽ được thiết kế đơn giản hơn và chuyển động phụ thuộc vào piston. Cụ thể khí nén sẽ được đưa vào bên trong xi lanh thông qua ống dẫn khí và cửa khí vào, khi lượng khí nén tăng lên sẽ chiếm lấy không gian bên trong. Khi đó piston sẽ dịch chuyển theo kiểu tịnh tiến tới lui hoặc lên xuống và truyền động điều khiển thiết bị bên ngoài. Khi khí nén đi qua cửa khí ra và xả ra môi trường bên ngoài sẽ kết thúc một chu trình hoạt động.
Ưu điểm của kiểu truyền động này là cấu tạo đơn giản, khi có lực tác động piston sẽ dịch chuyển tạo ra hiệu quả cao. Thế nhưng so với truyền động xoay ngang nhờ bánh răng sẽ có độ bền thấp hơn. Nhất là trong điều kiện môi trường thường xuyên có áp lực lớn và hoạt động liên tục vì piston có khả năng bị ăn mòn, cong vênh. Do vậy, với điều kiện môi trường đó nên sử dụng truyền động xoay ngang.
Theo hình dáng
Phân loại xi lanh khí nén theo hình dáng
Xi lanh tròn
Xi lanh tròn được cấu tạo dạng hình trụ dài, tròn, thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ. Vậy nên được lắp đặt nhiều trong các sây chuyền tự động đóng gói có quy mô nhỏ và vừa với điều kiện áp lực khí nén không quá lớn.
Xi lanh vuông
Loại xi lanh này được thiết kế dạng hình trụ vuông và theo kiểu tác động 2 chiều với 2 lỗ cấp khí và thoát khí ở 2 đầu. Xi lanh hình vuông được sử dụng phổ biến, thông dụng nhất so với 2 loại trong và compact trong các dây chuyền lắp ráp, chế tạo…
Xi lanh compact
Xi lanh compact được thiết kế chiều dài tương đối ngăn, nhỏ gọn, kết cấu đơn giản lại có giá thành rẻ phù hợp với điều kiện kinh tế trung bình. Do đó, đây là loại được sử dụng trong khá nhiều hệ thống, nhất là những vị trí có không gian hẹp, nhỏ và góc cạnh theo cấu tạo của xi lanh.
Ngoài ra, còn có rất nhiều kiểu phân loại xi lanh khác, cụ thể theo nguồn gốc xuất cứ, hãng sản xuất hoặc kích thước xi lanh… Trên đây chúng tôi chỉ trình bày cách phân loại phổ biến và thông dụng nhất của xi lanh.
Ưu, nhược điểm của xi lanh khí nén
Ưu điểm:
- Không gây ô nhiễm môi trường vì xả ra môi chất khí nén sạch, an toàn, không có các chất độc hại hay tạp chất, cặn bẩn…
- Có khả năng tích trữ dễ dàng và được ứng dụng để thành lập trạm trích chứa khí nén nhờ khả năng chịu nén đàn hồi của không khí.
- Có khả năng truyền năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường ống nhỏ.
- Chi phí thấp, không quá cao để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi hiện nay đa số trong các xí nghiệp, nhà máy đã có sẵn hệ thống và đường ống dẫn khí nén.
- Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn được bảo đảm.
- Thiết kế nhỏ gọn, không phức tạp nên việc lắp đặt cũng đơn giản, linh hoạt hơn và không có giới hạn về khoảng cách.
Nhược điểm:
- Không có khả năng tạo lực lớn nên lực tuyền tải thường thấp
- Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi thì vận tốc cũng thay đổi. Bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn, cho nên không thể thực hiện được những chuyển động thẳng hoặc quay đều.
- Việc điều khiển thường không đạt độ chính xác cao do không khí chịu nén phần lớn không ổn định.
- Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn do quá trình vận hành nên gây ra tiếng ồn hơi khó chịu cho môi trường xung quanh.
Xem thêm: Các loại van điều khiển khí nén thông dụng trong công nghiệp
Ứng dụng xi lanh khí nén
Với ưu điểm di chuyển với tốc độ nhanh, giảm chi phí phát sinh, ít tiếng ồn, giá cả hợp lý và an toàn, thân thiện với môi trường. Xi lanh khí nén đang là thiết bị cần thiết để phục vụ quá trình nâng hạ, dịch chuyển kéo đẩy trong các ngành công nghiệp và đời sống hàng ngày. Cụ thể:
- Trong ngành công nghệ lắp ráp linh kiện điện tử, ô tô, cơ khí…
- Trong ngành chế biến thực phẩm, sản xuất bánh kèo, đồ uống như bịa, rượu…
- Trong đời sống hàng ngày: xử lý nước thải, ép phế liệu… thường sử dụng xi lanh có dạng hình tròn hoặc vuông kích cỡ lớn.
- Trong dệt may công nghiệp, đóng gói nống sản..
- Trong các thiết bị công trường xây dựng…
Một số lưu ý khi sử dụng xi lanh khí nén
Với vai trò quan trọng giúp tạo ra chuyển động cơ năng tịnh tiến hoặc momen xoắn cho các thiết bị khác. Trong quá trình sử dụng xi lanh khí nén để đảm bảo hoạt động tốt, ổn định, tranh sự cố hư hỏng, người dùng cần chú ý đến một số vấn đề như sau:
- Đảm bảo tiêu chuẩn về chất liệu, độ bền và kỹ thuật trong quá trình lắp đặt, thay thế hoặc bảo trì, bảo dưỡng.
- Trước khi sử dụng cần tiến hành lọc sạch đầu bôi trơn đảm bảo không có tạp chất, cặn bẩn bám lại bên trong.
- Kiểm tra lại toàn bộ các bộ phận trong Xi lanh xem có bị mài mòn hay bỏ sót trong quá trình gia công không, khi chắc chắn rồi mới đưa vào vận hành.
- Trong quá trình sử dụng phải thưởng xuyên kiểm tra thiết bị để kịp thời phát hiện lỗi và khắc phục để duy trì sự ổn định.
Lưu ý lựa chọn xi lanh khí nén tốt nhất
Lưu ý khi lựa chọn xi lanh khí nén
Với thiết bị lọc hay công tắc khí nén khi chọn lựa khá dễ dàng vì có thông số kỹ thuật, giới hạn và quy chuẩn riêng. Thế nhưng, với Xi lanh khí nén lại không đơn giản vì có đa dạng về chủng loại, kết cấu và thương hiệu. Chính vì thế, để lựa chọn được xi lanh khí nén tốt nhất, phù hợp với hệ thống đang vận hành, các bạn cần lưu ý đến 4 vấn đề dưới đây:
Lựa chọn chính xác xi lanh phù hợp với hệ thống
Đầu tiên, cần kiểm tra xem nhu cầu của hệ thống cần lắp đặt chất liệu gì: inox, thép, nhựa; kiểu tác động đơn hay kép và hình dáng tròn, vuông hay compact. Nếu bạn đang sử dụng các loại xi lanh có mã hiệu thống dụng, theo quy chuẩn quốc tế của các thương hiệu lớn thì chỉ cần đem mẫu là nhân viên kỹ thuật sẽ tư vấn đúng loại bạn yêu cầu. Tuy nhiên, đối với một số loại khác phức tạp hơn, để chọn được bạn cần phải tìm hiểu các công thức tính toán sức mạnh, lực kéo, đẩy của xi lanh, cả tốc độ truyền động.
Lựa chọn phụ kiện đi kèm
Mặc dù phụ kiện đi kèm với xi lanh khí nén không nhiều, tuy nhiên khi chọn lựa cần chú ý nắm rõ các bảng quy cách của từng phụ kiện:
- Ống dây hơi cơ bản để kết nối với xi lanh: Fi4 – Fi6 – Fi8 , Fi10, Fi12.
- Một số cút nối nhanh dùng cho xi lanh.
- Kích thước các loại đầu ren và ký hiệu trong khí nén để lắp đặt đảm bảo chọn lựa được sản phẩm phù hợp với hệ thống.
Lựa chọn thương hiệu chọn mặt gửi vàng
Hiện nay, trên thị trường xuất hiện xi lanh khí nén hàng nhái, hàng kém chất lượng khá nhiều. Chính vì thế, khi lựa chọn bạn cần quan tâm đến thương hiệu, xuất xứ của sản phẩm. Tốt nhất nên chọn những đơn vị có nhiều năm kinh nghiệm, có độ uy tín cao như thế mới đảm bảo chất lượng tốt, ổn định, an toàn và có chế độ bảo hành tốt nhất. Ngoài ra, còn phải chọn đơn vị có chính sách vận chuyển, giao hàng cẩn thận. Bởi đa số xi lanh khí nén được thiết kế bằng chất liệu nhôm, inox dễ móp méo, biến dạng.
