Tổng quan về xy lanh thủy lực

[Thợ máy]

Hầu hết ai trong số chúng ta đều đã quá quen thuộc và dường như đã biết rất rõ về xy lanh thủy lực (trong miền Nam các bạn gọi là ben thủy lực). Tuy nhiên cũng còn có rất nhiều người lúng túng khi gặp phải tự thiết kế, lựa chọn một xy lanh thủy lực phù hợp cho yêu cầu của mình.

Bài viết này sẽ tập trung vào việc giới thiệu, phân loại, một số tính toán cơ bản và ứng dụng của xy lanh thủy lực trong hệ truyền động.

Đầu tiên là các khái niệm, tên gọi các bộ phận của xy lanh thủy lực. Hình vẽ dưới đây có chú thích tên gọi một số bộ phận của một xy lanh thủy lực.



Tên gọi:
- Barrel: Vỏ xy lanh
- Piston: Quả piston
- Cylinder rod: Cán xy lanh
- Gland: Cổ xy lanh
- Pin eye / Clevis: Tai lắp ghép
- Ports: Đường dầu cấp vào/ra xy lanh
- Piston seal; Rod seal, Wear ring; O-ring; Wiper...: Bộ gioăng phớt làm kín

Các thông số làm việc và kich thước của xy lanh

3 thông số quan trọng nhất của một xy lanh thủy lực là: Đường kính lòng xy lanh (bore), thường được ký hiệu là D; đường kính cán (rod) – d và hành trình làm việc (stroke), tức là khoảng chạy của cán xy lanh, - s.
D và d biểu thị kích cỡ và khả năng tạo lực đẩy/kéo cho xy lanh
S biểu thị chiều dài và tầm với, khoảng làm việc của xy lanh đó.



Phân loại xy lanh thủy lực
Các xy lanh thủy lực thường được phân ra làm hai nhóm cơ bản: Xy lanh tác động một phía (một chiều) hoặc Xy lanh tác động hai phía (Xy lanh hai chiều).

Xy lanh một chiều
Xy lanh một chiều chỉ tạo ra lực đẩy một phía, thường là phía thò cần xy lanh, nhờ cấp dầu thủy lực có áp suất vào phía đuôi xy lanh. Cán xy lanh sẽ tự hồi vị nhờ tác dụng lực của bên ngoài hoặc lực đẩy lò xo bên trong. Điều dễ nhận biết nhất đối với xy lanh một chiều là nó chỉ có duy nhất một cửa cấp dầu.



Xy lanh hai chiều
Xy lanh hai chiều có thể tạo ra lực cả hai phía: Khi cán xy lanh thò ra và cả khi nó thụt vào vỏ xy lanh. Kết cấu làm kín bên trong của xy lanh hai chiều cũng phức tạp hơn xy lanh một chiều và trên thân nó phải có hai đường dầu cấp. Điều khác biệt lớn nữa là hệ thống thủy lực sử dụng xy lanh hai chiều phải có valve đổi hướng (valve phân phối) khi muốn điều khiển xy lanh này như hình vẽ dưới đây.



Các xy lanh cũng có thể phân chia theo kiểu xếp cán xy lanh: Xy lanh cán đơn một tầng hoặc xy lanh nhiều tầng (telescopic).

Xy lanh cán đơn:
Xy lanh cán đơn là loại có một đoạn cán xy lanh được gắn chặt, cùng chuyển động với quả piston. Loại xy lanh này chỉ có thể tạo ra một khoảng chuyển động nhỏ hơn chiều dài toàn thể của xy lanh, tức là khoảng làm việc của nó bị giới hạn bởi chiều dài của cán xy lanh trừ đi chiều dầy quả piston và các đoạn lắp ráp bên trong xy lanh.



Xy lanh cán đơn là loại được sử dụng phổ biến và có các ứng dụng rộng rãi. Phần lớn nó có kết cấu để cán xy lanh thò ra ở một phía của xy lanh. Một số xy lanh có kết cấu với cán xy lanh ở hai phía quả piston (được gọi là Double rod end cylinders). Khi một phía cán xy lanh thò thì cán phía bên kia sẽ “thụt” vào trong vỏ xy lanh.

Xy lanh nhiều tầng
Xy lanh nhiều tầng hay Telescopic thường có 2-3-4 hoặc có khi lên đến 6 tầng. Nó bao gồm một vỏ xy lanh và nhiều ống cần được xếp lồng với nhau. Kết cấu dạng này làm cho xy lanh có thể duỗi dài hành trình dài hơn rất nhiều kích thước cơ sở của xy lanh khi rút hết cán vào. Điều này tạo ra khả năng thiết kế các chi tiết, kết cấu máy gọn gang rất nhiều. Tuy nhiên xy lanh nhiều tầng có giá thành cao hơn nhiều so với xy lanh đơn.



Xy lanh nhiều tầng cũng có hai loại kết cấu: Xy lanh một chiều và Xy lanh hai chiều; Tuy nhiên loại xy lanh hai chiều có kết cấu rất phức tạp và đòi hỏi các thiết kế đặc biệt để ngăn ngừa các rủi ro.

Cũng có một cách phân loại xy lanh thủy lực theo kết cấu với hai loại là xy lanh hàn và xy lanh lắp ghép bằng gu-rông (Tie Rod cylinder).

Xy lanh ghép gu-rông:
Loại xy lanh này được lắp ghép và giữ cố định bởi 4 thanh gu-rông thép cường độ cao khóa ren xuyên suốt giữ các bộ phận từ hai đầu nắp xy lanh (Với các xy lanh có đường kính lớn có thể có đến 20 thanh gu-rông giữ). Kết cấu xy lanh dạng này giúp cho việc tháo lắp, service các xy lanh được dễ dàng và cũng dễ chế tạo từ các bộ phận tiêu chuẩn. Xy lanh loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp.



Xy lanh kết cấu hàn
Đầu xy lanh loại này được hàn với ống xy lanh giúp xy lanh có kết cấu cứng vững thích hợp với các chế độ làm việc nặng trên các thiết bị thi công cơ giới hoặc công nghiệp năng.

[Thợ máy]

Một số kết cấu xy lanh thông dụng

Xy lanh cần hai phía
Như trên đã nói, xy lanh này có cán xy lanh được gắn với quả piston ở cả hai phía. Khi một phía thò thì phía bên kia thụt và ngược lại. Lợi ích lớn nhất của xy lanh loại này là khi hai cán xy lanh có đường kính bằng nhau thì nó sẽ khử được sự chênh lệch áp suất, lưu lượng xảy ra đối với xy lanh cần một phía thông thường. Trong một số trường hợp lắp đặt khó khăn nó cũng đặc biệt hữu dụng so với các loại xy lanh khác.



Xy lanh thông tâm
Xy lanh thông tâm là loại cần xy lanh được khoan xuyên suốt từ đầu này đến đầu kia của xy lanh. Kết cấu dạng này giải quyết được việc đặt đúng lực kéo/đẩy vào đúng tâm của xy lanh mà không cần phải có các cơ cấu phụ trợ phức tạp. Xy lanh loại này thường được sử dụng làm kích kéo căng hoặc nâng hạ vật tải trọng lớn trong kỹ thuật xây dựng.



Xy lanh thủy lực có cơ cấu giảm chấn
Xy lanh loại này thường được thiết kế thêm khoang giảm chấn thủy lực ở cuối hành trình làm việc với mục đích làm giảm tốc độ của quả piston và cán xy lanh khi đến vị trí cuối. Thiết kế này sẽ giúp làm giảm lực va đập tác động vào nắp xy lanh dưới tác động của áp suất + lưu lượng dầu hoặc/và các cơ cấu cơ khí mà nó truyền chuyển động tới..
Khoang giảm chấn này được thiết kế tương tự như một cái “chầy” được gắn vào quả piston và nó sẽ được dẫn vào một cái “cối” vừa khít đặt ở phía nắp xy lanh. Khi xy lanh đi đến cuối hành trình, bộ chầy+cối này sẽ tạo nên một lực phản kháng ngược lên cần xy lanh.



Các cách lắp ghép xy lanh thủy lực
Có nhiều cách lắp ghép xy lanh vào các cơ cấu khác nhưng có thể được chia làm hai kiểu lắp ghép: Lắp cố định và lắp có chuyển động.

Kiểu lắp cố định là cách khóa chặt xy lanh trong cơ cấu và không cho thân vỏ xy lanh chuyển động trong quá trình xy lanh làm việc thò – thụt. Các cách cố định như: Dùng chân đế, bích lỗ lắp ghép, ghép ren cố định…







Kiểu lắp có chuyển động thì ngược lại: Thân vỏ xy lanh có thể chuyển động khi xy lanh thò – thụt tùy theo kiểu lắp ghép. Các kiểu lắp ghép loại này như: Xỏ chốt hai đầu, chao cầu tự lựa, ngõng trục giữa thân…







Kết cấu và vật liệu chế tạo xy lanh thủy lực
Các xy lanh thủy lực thường được chế tạo từ thép có cường độ cao. Để xy lanh chống chịu được sự khắc nghiệt của môi trường làm việc như nhiệt độ, độ ẩm, bụi, cường độ làm việc… các cơ phận bằng thép của xy lanh được xử lý chống chịu mài mòn và ăn mòn như mạ crome lòng, cán xy lanh, sơn phủ epoxy bề ngoài… Trong một số ứng dụng đặc biệt, xy lanh có thể được chế tạo từ thép không rỉ hoặc có những phương pháp đặc biệt như mạ phủ gốm kim loại.

Gioăng phớt làm kín xy lanh
Việc lựa chọn bộ gioăng phớt làm kín xy lanh dựa trên nhiều yếu tố quan trọng như: Tính tương thích về mặt hóa học với dầu sử dụng, nhiệt độ và áp suất làm việc…
Khi làm việc, gioăng phớt làm kín phải đủ độ mềm dẻo để có khả năng làm kín dầu giữa các chi tiết chuyển động đồng thời phải đủ cứng, khỏe để chịu được áp suất cao. Có hai loại gioăng phớt được sử dụng trong xy lanh thủy lực là gioăng tĩnh và gioăng động.
Gioăng động (dynamic seal) được dùng ở những nơi có sự chuyển động giữa hai bề mặt cần làm kín, ví dụ như ở quả piston. Loại thông dụng nhất là gioăng U hoặc gioăng V nhưng tùy thuộc vào áp suất, vận tốc và tính chất làm việc mà nó có nhiều kiểu biên dạng khác nhau. Nó thường được ép vào rãnh nằm giữa hai bề mặt trượt để làm kín.

Gioăng tĩnh được sử dụng để làm kín giữa hai chi tiết không có sự chuyển động với nhau ví dụ như giữa quả piston với cán, giữa nắp xy lanh với vỏ… Biên dạng của loại này thường là O-ring hoặc gioăng chỉ hình vuông, các đệm làm kín... Hai yêu tố là áp suất & nhiệt độ làm việc sẽ quyết định kích cỡ và vật liệu chế tạo loại gioăng này.

[Thợ máy]

Lựa chọn xy lanh thủy lực

Tính toán đường kính lòng xy lanh D
Đường kính lòng xy lanh xác định được lực tạo ra maximum dưới áp suất làm việc cho trước. Cách thức tính toán lựa chọn đường kính lòng xy lanh (và cả đường kính cán xy lanh) đã được bàn đến nhiều trong diễn đàn nên ở đây tôi không nhắc lại nữa. Bạn nào không biết có thể tham khảo ở đây.

Chỉ xin lưu ý các bạn là xy lanh thủy lực tạo ra được lực làm việc trên cả hành trình làm việc của nó (tức là không phụ thuộc vào vị trí của quả piston) khi áp suất cấp vào khoang làm việc vẫn đủ như thiết kế. Lực ma sát giữa quả piston/seal với lòng xy lanh hoặc lực uốn cần xy lanh do việc lắp ráp xy lanh không đúng cách sẽ làm giảm lực đẩy/kéo của xy lanh.

Hành trình làm việc của xy lanh
Hành trình làm việc của xy lanh là đoạn làm việc của cán xy lanh khi ở vị trí ban đầu đến vị trí làm việc cuối cùng. Đừng nhầm lẫn hành trình làm việc với khoảng cách ghép nối giữa hai đầu xy lanh!!! Giá trị hành trình sẽ quyết định cả đến tốc độ, thời gian làm việc của cơ cấu và nó rất quan trọng để tính ra năng suất, sản lượng và size của hệ thống thủy lực.

Khi lựa chọn hành trình làm việc cũng nên lưu ý để tránh hành trình quá dài sẽ dẫn đến xy lanh bị uốn cong.

Đường kính cán xy lanh
Lựa chọn, tính toán đường kính cán xy lanh phải đảm bảo nó chịu được tổng lực tác động lên cán mà không bị uốn cong. Đường kính càng lớn thì khả năng chịu uốn của xy lanh càng cao tuy nhiên phải xem xét đến các yếu tố khác liên quan đến đường kính này như tự trọng của xy lanh, tốc độ làm việc, áp suất ở khoang cán xy lanh…

Ví dụ như trọng lượng của cán xy lanh có đường kính lớn (như trong các máy ép – dập cỡ lớn) sẽ gây khó khăn cho người thiết kế khi tính toán lực tác động lên đầu cần, phương án chống tụt (khi xy lanh đặt ở vị trí thẳng đứng) và cách thức giảm thiểu sự tác động của trong lượng va đập của xy lanh ở cuối các hành trình làm việc, đặc biệt khi xy lanh làm việc ở tốc độ cao.

Lực tác động ở hành trình “thụt” của xy lanh có cán lơn cũng bị giảm đi rất nhiều do diện tích hình vành khăn bị giảm đi theo cấp số nhân. Tương tự tốc độ làm việc ở trường hợp này lại bị tăng lên vì lý do thể tích dầu trong lòng xy lanh bị giảm đi gây khó khăn trong điều khiển tốc độ.

Một lưu ý rất quan trong nữa là áp suất làm việc của hệ thống tại phía có cán to sẽ tăng lên rất cao dưới tác dụng của ngoại lực. Hình ảnh chụp dưới đây cho thấy áp suất phía cán xy lanh tăng rất cao hơn cả áp suất cấp phía đầu xy lanh khi nó bị tắc nghẽn. Tôi sẽ mô tả hiện tượng này trong một mạch khác.

[Thợ máy]

So sánh xy lanh hàn và các loại kết cấu khác

Xy lanh hàn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nặng và thiết bị thi công nhờ kết cấu chăc chắn, tin cậy và chịu được áp suất cao.

Có nhiều dạng kết cấu khác nhau để so sánh nhưng trong công nghiệp được sử dụng hai loại chủ yếu nhất là xy lanh lắp gu-rông và xy lanh hàn. Chúng ta sẽ so sánh kỹ lưỡng kết cấu hai loại xy lanh này.

Xy lanh lắp gu-rông




Xy lanh kết cấu loại này được sử dụng rộng rãi và thường được chia theo cỡ đường kính lòng từ 1/2 inch đến maximum 24 inch. Người ta sử dụng các thanh gu-rông bằng thép cường độ cao để gông chặt ống vỏ xy lanh giữa hai tấm nắp đầu + đuôi xy lanh. Đối với các đường kính ống nhỏ hơn 10 inch, thường chỉ cần 4 thanh gu-rông nhưng với đường kính lớn hơn, có thể sử dụng tới 20 cây gu-rông loại này phụ thuộc cả vào lực làm việc.

Xy lanh loại này có ưu điểm là dễ dàng lắp ráp chế tạo và tháo dỡ để kiểm tra, bảo dưỡng một cách nhanh chóng với những dụng cụ service đơn giản do đó rất nhiều nhà sản xuất xy lanh loại này. Hiện nay trên thế giới xy lanh loại này đã được tiêu chuẩn hóa về kích thước lắp đặt, áp suất làm việc… nên người sử dụng có thể dễ dàng lựa chọn, thay thế.

Nhược điểm dễ thấy nhất của xy lanh loại này là khả năng chịu áp suất kém hơn, đặc biệt là đối với các xy lanh có đường kính lớn, hành trình làm việc dài.

Kết cấu xy lanh loại này phụ thuộc vào cường độ của các thanh gu-rông và vỏ ống xy lanh, thường là mỏng. Khi ở áp suất cao, các thanh gu-rông bị kéo dãn ra và nếu nó bị kéo dãn nhiều quá, vỏ xy lanh sẽ bị trật ra khỏi mối lắp ghép và do đó, áp suất sẽ thoát ra khỏi vỏ gây ra hư hỏng xy lanh và có thể gây tai nạn cho thiết bị, con người.
Đối với xy lanh có hành trình dài, các thanh gu-rông có thể bị võng và có lực giữ nắp xy lanh không đều nhau. Ở áp suất cao, nắp xy lanh có thể bị thổi bật tung ra do các thanh gu-rông này.

Xy lanh hàn



Xy lanh hàn có kết cấu chịu lực tốt hơn xy lanh gu-rông. Nó có một đầu (thường là phía không co cán) được hàn chặt cố định vào vỏ xy lanh. Ở các xy lanh có đường kính nhỏ, đầu phía cán xy lanh được ghép bằng ren xoáy vào vỏ còn đối với xy lanh đường kính lớn, chúng được ghép bằng các bu-lông vào một tấm bích thép dầy, được hàn chắc chắn vào vỏ xy lanh. Độ dầy vỏ xy lanh loại này cũng lớn hơn để thích hợp cho việc hàn nối và là một phần chịu lực chính của xy lanh.

Với kết cấu loại này, xy lanh không phải lo bị hư hỏng bởi áp suất cao và hành trình làm việc có thể tương đối dài (cái xy lanh tôi nghe nói có hành trình lớn nhất lên đến 25 mét).
Nhờ có kết cấu vỏ dầy, chắc chắn nên xy lanh hàn cũng dễ gắn các chi tiết lắp ghép (mounting) dễ dàng ở bất cứ vị trí nào trên cả chiều dài thân vỏ. Điều này cũng hữu ích hơn nhiều so với xy lanh gu-rông vì nó giúp người chế tạo có nhiều lựa chọn hơn trong việc thiết kế.

Nói về hình thức bề ngoài thì vỏ xy lanh hàn tròn chịa trông đẹp và dễ lau chùi, sơn phết hơn 

Do kết cấu hàn một đầu nên xy lanh loại này bắt buộc phải tháo phía đầu cán để tiến hành thay thế, bảo dưỡng xy lanh. Đây là một nhược điểm không nhỏ của xy lanh hàn, đặc biệt khi nó được lắp ráp ở các vị trí máy khó tháo lắp. Một điểm quan trọng nữa là do vỏ xy lanh dầy nên nếu có các hư hỏng như xước nhẹ ở bên trong lòng ống, người ta có thể tiến hành mài/doa (honing) lại đường kính trong để tiếp tục sử dụng mà không ảnh hưởng quá nhiều đến chất lượng phục vụ.

Cũng do kết cấu hàn nên xy lanh có thể chịu được áp suất cao hơn hẳn xy lanh gu-rông và nó thích hợp cho các nhu cầu sử dụng nặng (heavy duty) như thiết bị mobile, các kết cấu chịu lực chính, quan trọng…

Xy lanh tầng



Xy lanh tầng có hành trình làm việc lớn hơn so với kích thước hai đầu của nó khi ở vị trí “thụt”. Đây là ưu điểm quan trọng nhất của xy lanh loại này. Tùy thuộc theo số tầng làm việc, được xếp trong một cái vỏ lớn bao ngoài, hành trình làm việc của xy lanh có thể gấp 3-5 lần chiều dài vỏ do đó nó thường được sử dụng trong các khoảng không gian lắp ráp máy hẹp nhưng lại yêu cầu khoảng làm việc lớn.

Ví dụ dễ gặp nhất của xy lanh loại này là xy lanh nâng ben (thùng) xe tải. Về nguyên tắc, thùng xe phải được dốc đứng lên ít nhất 60 độ để đảm bảo đổ hết hàng hóa bên trong thùng. Như vậy hành trình làm việc của xy lanh nâng ben phải đủ dài. Tuy nhiên, khi thùng hạ xuống, lại cần xy lanh gọn nhỏ để xếp gọn trong lòng thùng ben. Xy lanh một tầng không thể đáp ứng được yêu cầu này. Một ứng dụng khác cũng hay gặp đó là xy lanh thò/thụt cần antenna xe cẩu bánh lốp.



Kết cấu của xy lanh nhiều tầng bao gồm nhiều đoạn ống được lồng với nhau, cái nọ nằm trong lòng cái kia. Mỗi đoạn ống có các bộ gioăng làm kín riêng để ngăn không cho dầu rò rỉ ra bên ngoài. Các đoạn ống cũng có các bạc đỡ riêng để đảm bảo đủ cứng vững khi xy lanh thò ra ngoài vỏ.



Xy lanh nhiều tầng phổ biến ở 2 đến 6 tầng. 6 tầng là giới hạn vì khả năng chế tạo, giá thành, khả năng cứng vững khi làm việc. Xin lưu ý rằng các loại xy lanh thủy lực nói chung đều chịu lực ngang rất kém khi thò cần ra và đối với xy lanh nhiều tầng, khả năng này càng dở.

Xy lanh nhiều tầng cũng được chế tạo ở hai kiểu: Xy lanh tác động đơn và xy lanh tác động kép.

Xy lanh tác động đơn được sử dụng nhiều hơn cả, tuy nhiên nó phải nhờ trọng lực để thu cán về hết. Xy lanh tác động kép có kết cấu phức tạp hơn nhiều vì phải bố trí các đường dầu cấp bên trong lòng xy lanh để các tầng của xy lanh làm việc ở cả hai chế độ thò và thụt. Xy lanh tầng tác động hai phía thường được sử dụng ở vị trí lắp đặt nằm ngang nên do đó trọng lượng của xy lanh và tải trên đầu cần không giúp nó hồi vị được. Điều này chỉ được thược hiện nhờ dầu thủy lực có áp.

Một kết cấu lai giữa hai loại này cũng hay được sử dụng đó là xy lanh tầng tác động đơn nhưng ở tầng xy lanh trong cùng lại là tác động kép. Kết cấu này được sử dụng khi không có lực đủ lớn ban đầu để hồi vị cấn xy lanh trong cùng (có diện tích làm việc lớn nhất). Ví dụ như ở hình vẽ dưới đây: khi xy lanh duỗi hết để nâng một cái khung giàn lên vị trí thắng đứng thì khi hạ xuống, trong lượng của khung dồn về xy lanh không đủ để nó nghiêng xuống. Do đó, xy lanh thủy lực được sử dụng để thu cần ở đoạn trong cùng. Khi khung đã nghiêng, lực sẽ đủ lớn để ép các đoạn xy lanh thụt vào.



Do kết cấu phức tạp nên xy lanh tầng tác động kép thường có giá rất cao hơn so với xy lanh tác động đơn.

Sử dụng xy lanh tầng cần phải tính toán lực, các khâu khớp chuyển động chuẩn xác để cơ cấu hoạt động mượt mà, không gây ra các tải tác động không đúng tâm lên đầu cần xy lanh – là nguyên nhân gây ra gẫy, hỏng, nổ lòng xy lanh (do quá áp). Hành trình của xy lanh dài nên cũng phải cân nhắc trọng lượng làm việc của bản thân xy lanh trong tính toán chi tiết máy.

[mrletiendat2010]

Bác nào biết silanh thủy lực của máy bơm bê tông không ạ?
Cho e hỏi 1 chút nhé!
E muốn soay trục xilanh thủy lực để vặn mấy con ốc phía dưới mà không được. Bởi vì 1 đầu được lắp với pittong đẩy bê tông mà. e mất cả buổi để soay mà không được.bác nào giúp e với nhé!
ĐT của e: 0946.735.870.
Cảm ơn các bác nhiều!