Thông số xi lanh khí nén: Ý nghĩa, Phân loại, Ký hiệu

Nắm vững thông số xi lanh khí nén là điều kiện tiên quyết giúp người dùng vận hành hệ thống hiệu quả. Cùng tìm hiểu sâu về xi lanh khí nén, các số liệu kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn của bộ phận này.

1. Định nghĩa chung xi lanh khí nén là gì?

Xi lanh khí nén là phần tử chấp hành trong hệ điều khiển khí nén, có nhiệm vụ chuyển hóa áp suất khí nén thành lực cơ học. Nhờ đó, tạo ra chuyển động tịnh tiến tuyến tính hoặc chuyển động quay.

Thông qua các bộ phận của xi lanh, áp suất khí biến đổi, đẩy piston dịch chuyển. Từ đó, sinh ra lực đẩy hoặc kéo theo hướng định sẵn.

Xi lanh hoạt động nhanh, chính xác, an toàn, chi phí đầu tư thấp hơn đáng kể so với hệ thống thủy lực và điện cơ.

2. Cách phân loại xi lanh khí nén phổ biến

Trong thực tế, người ta đã thiết kế rất đa dạng nhiều xi lanh, nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất. Vì vậy, mỗi loại lại có những đặc điểm riêng về hành trình, ứng dụng, cấu tạo.

• Xi lanh tác động đơn: Hoạt động dựa trên nguyên lý chỉ tác động 1 chiều, chiều còn lại nhờ lò xo hồi về. Loại này thiết kế đơn giản, tiêu tốn ít khí nén, phù hợp cho các thao tác nhẹ, nhưng cần tốc độ nhanh.
• Xi lanh tác động kép: Khí nén được cấp vào cả hai đầu xi lanh, tạo lực đẩy piston theo cả 2 chiều. Loại này cho lực tác động lớn, đáp ứng hành trình dài, độ chính xác cao.
• Xi lanh tròn: Dạng trụ tròn, nhỏ gọn, thường lắp đặt trong không gian hẹp như: máy tự động mini, thiết bị điện tử.
• Xi lanh compact: Còn gọi là xi lanh mỏng hoặc xi lanh dẹt, có hành trình ngắn nhưng lực đẩy lớn, tối ưu cho không gian hạn chế.
• Xi lanh xoay: Piston tạo ra chuyển động quay góc thay vì chuyển động tịnh tiến. Các góc quay phổ biến là 90°, 180° hoặc 360°. Loại này thường gặp trong robot gắp, cơ cấu xoay phôi, hệ thống tự động hóa cần chuyển hướng.
• Xi lanh kẹp: Tích hợp thêm cơ cấu kẹp, giữ sản phẩm tại đầu cần piston. Dùng trong máy lắp ráp tự động, robot công nghiệp.

3. Phân tích cấu tạo, cách thức hoạt động của xi lanh khí nén

3.1. Cấu tạo

Cấu tạo cơ bản của 1 xi lanh khí nén bao gồm: 1 buồng chứa khí, piston và cần piston. Chi tiết các thành phần được chia nhỏ như sau:

• Thân xi lanh: Là vỏ ngoài hình trụ (buồng chứa khí), chịu áp lực khí nén, bao bọc toàn bộ piston. Bộ phận này được chế tạo từ hợp kim nhôm, thép mạ crôm hoặc inox để chống mài mòn và rò rỉ khí.
• Piston: Nằm bên trong thân xi lanh, nhận lực từ khí nén để dịch chuyển. Trên piston còn chứa vòng phớt, có tác dụng giảm ma sát.
• Cần piston: Gắn liền với piston, có nhiệm vụ truyền chuyển động ra ngoài để thực hiện thao tác đẩy, kéo, kẹp hoặc xoay. Bộ phận này thường được mạ crom cứng để chống gỉ.
• Nắp trước và nắp sau: Lắp ở 2 đầu xi lanh, vừa cố định piston, vừa có các lỗ cấp/xả khí nén. Nắp trước còn có vòng dẫn hướng, giúp cần piston di chuyển thẳng, không bị lệch trục.
• Vòng đệm, phớt làm kín: Nằm ở các vị trí tiếp xúc giữa piston, cần piston và thân xi lanh. Chi tiết này nhỏ, nhưng có vai trò quan trọng trong việc ngăn rò rỉ khí, giữ ổn định áp suất trong xi lanh.
• Lò xo: Bộ phận này chỉ có ở xi lanh tác động đơn, giúp hỗ trợ đưa piston về vị trí ban đầu khi khí nén thoát ra.
• Cổng khí nén: Là các cửa kết nối với đường ống khí, thực hiện nhiệm vụ dẫn khí vào/ra buồng chứa khí.

3.2. Nguyên lý hoạt động

Xi lanh nén khí tuân thủ định luật Pascal về áp suất chất khí. Khi khí nén được đưa vào thân xi lanh, áp suất được truyền đều theo mọi hướng, tác động trực tiếp lên piston, tạo ra lực đẩy/kéo. Cụ thể như sau:

• Ở xi lanh tác động đơn: Khí nén chỉ được cấp vào một phía của piston, tạo lực đẩy theo một chiều. Khi khí xả ra, lò xo hồi sẽ kéo piston trở về vị trí ban đầu.
• Xi lanh tác động kép: Khí nén được cấp luân phiên vào 2 buồng xi lanh (trước và sau piston). Khi khí nén cấp vào buồng trước, piston bị đẩy ra. Khi khí nén cấp vào buồng sau, piston được kéo về.
• Xi lanh xoay: Thay vì tạo chuyển động tịnh tiến, cấu trúc đặc biệt của piston và buồng khí sẽ biến lực khí nén thành chuyển động quay góc.
• Xi lanh kẹp: Khi piston dịch chuyển, cần piston kết hợp với cơ cấu kẹp chuyên dụng, giữ chặt hoặc nhả chi tiết.

4. Các thông số xi lanh khí nén chính, quan trọng

4.1. Ký hiệu xi lanh

Ký hiệu xi lanh là ký hiệu tiêu chuẩn ISO 1219, được thể hiện trong các sơ đồ mạch khí nén. Các kỹ sư, thợ máy, người vận hành nhìn vào là hiểu ngay được loại xi lanh, cách hoạt động.

4.2. Ý nghĩa từng thông số xi lanh khí nén

Hiểu rõ ý nghĩa từng thông số là điều kiện bắt buộc khi lựa chọn và sử dụng xi lanh khí nén.

4.3. Hành trình xi lanh

Hành trình xi lanh là khoảng cách tối đa mà piston có thể di chuyển trong lòng xi lanh. Tức là khoảng cách từ vị trí thu về đến vị trí đẩy ra. Thông số này quyết định khả năng làm việc, độ linh hoạt và phạm vi ứng dụng của xi lanh.

Hiểu được hành trình xi lanh, bạn xác định được quãng đường di chuyển của piston. Từ đó, tính toán lực phù hợp với các thao tác đẩy, kẹp, nâng, hạ.

Trong thực tế, có 1 số hành trình xi lanh phổ biến như sau:

• Loại mini/compact: Hành trình ngắn, từ 5mm - 50mm, phù hợp không gian hẹp.
• Loại xi lanh tiêu chuẩn: Hành trình từ 10mm - 1000mm, sử dụng trong đa số ứng dụng công nghiệp.
• Hành trình dài: Có thể đạt đến 2000mm hoặc hơn, dùng trong các dây chuyền đặc thù.

4.4. Áp suất làm việc/phá hủy

Thông số này quyết định trực tiếp đến lực mà xi lanh khí nén tạo ra. Trong đó, gồm 2 giá trị chính:

• Áp suất làm việc: Là mức áp suất khí nén an toàn và ổn định mà xi lanh có thể vận hành lâu dài. Đa phần các dòng xi lanh có áp suất làm việc trong khoảng 0.1 - 1.0 MPa (tương đương 1 - 10 bar). Áp suất thấp hơn mức tối thiểu thì xi lanh không đủ lực, hoạt động yếu. Nếu vượt mức, phớt dễ hỏng, dẫn đến rò rỉ khí.
• Áp suất phá hủy: Là mức áp suất tối đa xi lanh chịu được trước khi xảy ra biến dạng hoặc hư hỏng nghiêm trọng. Chỉ số này thường cao gấp 1,5 - 2 lần áp suất làm việc tối đa. Người ta chỉ thử nghiệm mức áp suất này khi kiểm định an toàn, không dùng trong khi vận hành.

4.5. Đường kính piston

Trong sơ đồ, đường kính piston ký hiệu là D, cũng là kích thước đường kính trong của xi lanh.

Đường kính piston quyết định lực sinh ra của xi lanh. Đường kính càng lớn thì diện tích piston càng lớn, lực sinh ra càng mạnh, nhưng di chuyển chậm. Đường kính càng nhỏ thì lực càng nhỏ, nhưng tốc độ di chuyển nhanh hơn.

Chỉ số này liên quan trực tiếp đến việc lựa chọn xi lanh trong thực tiễn. Theo đó, xi lanh có Ø 6 - 32 mm phù hợp cho máy móc tự động nhỏ, Ø 40 - 100mm dùng cho dây chuyền công nghiệp.

5. Chi tiết cách tính lực đẩy của xi lanh khí nén chuẩn xác

Lực đẩy của xi lanh (F) cũng là lực mà piston tạo ra trong 1 lần chuyển động. Tính lực đẩy của xi lanh khí nén cần thực hiện theo quy trình, áp dụng công thức chuẩn để đảm bảo ra kết quả nhanh, chính xác, ít sai số. 

Xác định dữ liệu vào: Cần đổi áp suất làm việc P sang Pa. 1 bar = 10^5 Pa = 0.1MPa

Công thức tính: F = P*A = P*(π. D^2/4)

Trong đó:

• F: Là lực đẩy của piston (đơn vị Newton)
• A: Là diện tích bề mặt, được tính bằng công thức A = π * (D/2)²
• D: Là đường kính của xi lanh, có đơn vị là mm.
• P: Là áp suất không khí đã tác động lên piston trong lần chuyển động, đơn vị tính là Pa.

6. Ứng dụng của xi lanh khí nén trong thực tế 

Xi lanh khí nén là cánh tay đắc lực của các hệ thống tự động hóa, cơ cấu máy móc công nghiệp. Đặc tính gọn, nhẹ, rẻ, đáp ứng nhanh khiến thiết bị được ứng dụng rộng rãi.

• Công nghiệp sản xuất: Đẩy, gạt, kẹp, ép linh kiện với độ chính xác cao trong dây chuyền lắp ráp. Đẩy sản phẩm vào hộp, ép mép bao bì, kẹp giữ chai lọ trong dây chuyền đóng gói.
• Giao thông, vận tải: Lắp trong cửa xe bus, tàu điện, toa xe lửa, cho phép đóng mở êm ái, an toàn, hoặc dùng trong hệ thống phanh khí nén của xe tải, xe đầu kéo.
• Nông nghiệp: Lắp trong máy đóng gói nông sản, máy phân loại trái cây, máy gieo hạt tự động đều có sự hỗ trợ của xi lanh.
• Y tế: Lắp vào hệ thống giường bệnh, ghế nha khoa, máy tập phục hồi chức năng.

7. Lưu ý quan trọng cần biết khi dùng xi lanh khí nén

Dù bền bỉ nhưng nếu sử dụng xi lanh sai cách, các khâu vận hành dễ mất an toàn. Yên Phát khuyên bạn cần nắm rõ:

• Áp suất làm việc, hành trình, đường kính piston, lực đẩy yêu cầu trước khi lắp đặt.
• Khí nén phải được lọc bụi, tách nước, bôi trơn trước khi cấp vào xi lanh. Khí bẩn khiến piston bị mài mòn, phớt bị kẹt, độ kín khí giảm.
• Lắp xi lanh cố định và chắc chắn, thẳng trục, thêm các phụ kiện như: giảm chấn, van tiết lưu để chỉnh tốc độ, giảm va đập ở cuối hành trình.
• Không vận hành vượt ngưỡng áp suất nhà sản xuất quy định, vì có thể gây phồng, nứt xi lanh.
• Không để xi lanh tiếp xúc với hóa chất ăn mòn, độ ẩm cao. Hoặc chọn vật liệu xi lanh chuyên dụng cho các môi trường này.

Việc nắm vững thông số xi lanh khí nén và áp dụng đúng trong thực tế sẽ mang lại hiệu quả vượt trội, đảm bảo an toàn và tối ưu ngân sách. Không chỉ các kỹ sư, thợ kỹ thuật, ngay cả doanh nghiệp cơ khí, sản xuất cũng nên tìm hiểu.