Xy lanh khí nén là gì?

Trong nhiều ngành công nghiệp, có rất nhiều ứng dụng cần đến việc sử dụng khí nén để tạo nên các chuyển động tịnh tiến. Trong lĩnh vực van công nghiệp cũng vậy, việc đóng mở các dòng van cổng hay van cầu đều phải sử dụng chuyển động tịnh tiến. Khi đó, ta sử dụng một thiết bị chuyển đổi đó là xy lanh khí nén. Không giống như trong van bướm khí nén hay van bi khí nén, bộ truyền động chuyển đổi áp lực khí nén thành chuyển động quay. Xy lanh khí nén sẽ chuyển đổi áp lực khí nén thành chuyển động tịnh tiến để đóng mở các dòng van như van cầu, van cổng.

Cấu tạo của xy lanh khí nén

Các tạo của xy lanh khí nén gồm các thành phần chính như sau:

• Cổng cấp khí 1 (A)
• Thanh giằng (B)
• Cổng cấp khí 2 (C)
• Piston (D)
• Thân xy lanh (E)
• Trục piston (F)

Như được thể hiện trong hình, xy lanh được bịt kín hai đầu. Bên trong xi lanh này, piston điều khiển thanh trục một cạnh tịnh tiến theo chiều dài. Khi khí nén đi qua cổng cấp khí 1, pít-tông di chuyển xuống dưới ra đẩy thanh trục dài ra khỏi xy lanh. Chuyển động này được gọi là chuyển động dương / cộng và buồng liên kết với chuyển động này được gọi là buồng cộng. Khoang trừ nằm ở phía đối diện. Khi khí nén đi vào cổng cấp khí 2, thanh được đẩy trở lại vị trí âm.

Đường kính xi lanh là đường kính bên trong của xi lanh hoặc đường kính của piston. Chiều dài hành trình xác định khoảng cách piston / thanh trục piston có thể đi được bao xa. Đường kính và hành trình là hai thuộc tính cần quan tâm nhất của một xy lanh khí nén.

Chức năng của xy lanh khí nén

Xy lanh khí nén có hai dạng hoạt động đóng là tác động đơn và tác động kép.

Xy lanh khí nén tác động đơn

Trong một xy lanh tác động đơn (SAC), chỉ có 1 cổng cấp không khí chịu trách nhiệm cho sự chuyển động của piston theo một hướng. Chuyển động của piston theo hướng ngược lại được thực hiện bởi một lò xo cơ học. Một xy lanh tác động đơn có thể được thiết kế để trừ đi vị trí cơ sở  hoặc vị trí cơ sở cộng với (mở rộng lò xo) tùy thuộc vào việc khí nén thực hiện hành trình như thế nào. Trong trường hợp bị trục trặc về khí nén, một xi lanh tác động đơn có lợi thế là trả piston về vị trí ban đầu.

Một nhược điểm của xy lanh tác động đơn là lực đầu ra không nhất quán thông qua một cú đánh hoàn toàn do lực lò xo đối nghịch. Hơn nữa, hành trình của một xy lanh tác động đơn có thể bị hạn chế do không gian mà lò xo nén chiếm và độ dài của lò xo. Do đó, chiều dài thiết kế của một xy lanh tác động đơn dài hơn so với hành trình thực tế của nó.

Xy lanh khí nén tác động kép

Trong một xy lanh tác động kép (DAC), không khí được cung cấp cho các buồng ở cả hai bên của piston. Áp suất không khí cao hơn ở một bên có thể lái piston sang phía bên kia. Xy lanh tác động kép là loại phổ biến nhất, vì người dùng hoàn toàn có thể kiểm soát hành trình của piston

Ưu điểm của xy lanh tác động kép là các nét dài hơn (lên đến vài mét) và lực đầu ra không đổi thông qua một cú đánh hoàn toàn. Những xy lanh này cung cấp kiểm soát tương đối tốt hơn và hoạt động ở tốc độ cao hơn. Hạn chế của các xi lanh tác động kép là nhu cầu của chúng đối với khí nén để di chuyển theo cả hai hướng và thiếu một vị trí xác định trong trường hợp mất năng lượng.

Cảm biến vị trí

Để xác định hành trình của xy lanh khí nén, trên thân của xy lanh được gắp một bộ cảm biến. Bộ cảm biến này cảm nhận các thay đổi từ trường do piston dịch chuyển từ đó xác định được vị trí chính xác của piston. Từ đó, ta có thể điều tiết luồng khí nén vào trong xy lanh để điều chỉnh độ dài ngắn của trục piston. Thông qua đó, điều chỉnh được phần trăm đóng mở của van cơ được điều khiển bằng xy lanh.

Các dạng giảm chấn trong xy lanh khí nén

Chuyển động của piston trong xi lanh khí nén có thể rất nhanh khi khí nén đi vào xi lanh. Điều này có thể tạo ra một cú sốc mạnh khi piston chạm vào đầu hoặc nắp cuối. Điều này gây áp lực lên các thành phần xi lanh, tạo ra tiếng ồn và truyền rung động đến cấu trúc máy. Để ngăn chặn điều này, pít-tông có thể được giảm tốc ở vùng lân cận của nắp bằng cách đệm. Đệm cũng có thể ngăn piston bật lại (nảy) khỏi vị trí cuối.

Giảm chấn bằng vật liệu đàn hồi 

Trong các xi lanh nhỏ hơn mà tác động không quá cao, một vật liệu linh hoạt được sử dụng ở đầu / đầu nắp. Vật liệu này thường được làm từ chất đàn hồi và có dạng vòng. Những bộ giảm xóc này được tích hợp như một phần của pít-tông hoặc ở đầu và đầu mũ. Loại đệm này phù hợp nhất cho tốc độ hoạt động chậm, tải thấp và lực va chạm nhỏ.

Giảm chấn bằng đệm khí

Trong các xi lanh lớn hơn với tốc độ piston cao hơn hoặc lực mạnh hơn, sự hấp thụ sốc có thể đạt được bằng cách giữ một khối lượng không khí nhất định ở vị trí cuối. Vào cuối đột quỵ, không khí sẽ được nén để tạo hiệu ứng phá vỡ. Với mục đích này, các van không quay trở lại được lắp đặt trực tiếp trên các cổng cuối của xi lanh. Điều này cho phép luồng không khí được điều áp tự do đồng thời cho phép điều chỉnh khu vực của cổng xả bằng vít điều chỉnh. Phương pháp đệm này không bị mài mòn và mang lại hiệu quả đệm tối ưu. Tùy thuộc vào áp suất vận hành và lực xi lanh, các cài đặt vít trên xi lanh cần được điều chỉnh để có đệm lý tưởng.

Tiêu chuẩn trong xy lanh khí nén

Xi lanh khí nén đã được tiêu chuẩn hóa để có thể hoán đổi với các sản phẩm của các nhà sản xuất khác nhau. Do đó, trong một xi lanh tiêu chuẩn, kích thước lắp, lỗ xi ​​lanh và hành trình, đặc tính của thanh piston và cổng không khí phụ thuộc vào loại / tiêu chuẩn.

Tiêu chuẩn ISO 6432 (8-25 mm) – ISO 6432 (còn được gọi là xi lanh mini hoặc xi lanh tròn) là một tiêu chuẩn ISO áp dụng cho các xi lanh khí nén một thanh có các lỗ từ 8 mm đến 25 mm và áp suất làm việc tối đa lên tới 10 bar (1000 k Pa). Tiêu chuẩn này thiết lập một loạt số liệu kích thước lắp đặt cần thiết cho khả năng thay thế của các xi lanh. Tiêu chuẩn xi lanh khí nén này không có điều chỉnh giảm xóc bằng tay. ISO 6432 là một dòng xi lanh nhỏ gọn hoàn hảo phù hợp cho các hệ thống tự động hóa trong phân tích, thiết bị chẩn đoán, đóng chai, nhà bếp ô tô và thương mại và thiết bị giặt ủi.

Tiêu chuẩn ISO 15552 (32-320 mm) – ISO 15552 (đã thay thế ISO 6431 và VDMA 24562) thiết lập kích thước lắp theo hệ mét, kích thước lỗ khoan, kiểu lắp , đặc tính của thanh piston và hành trình cho xi lanh khí nén một hoặc hai thanh với áp suất làm việc tối đa lên tới 10 bar (1000 k Pa) và kích thước lỗ khoan từ 32 mm đến 320 mm. Tiêu chuẩn này áp dụng cho các xi lanh có giá đỡ có thể tháo rời. VDMA 24562 là phổ biến ở Đức và là cho hồ sơ và xi lanh tie-que. Dòng xi lanh khí nén ISO 15552 có giảm xóc có thể điều chỉnh, hoặc đệm, giúp đạt được giảm xóc hoàn hảo.

Tiêu chuẩn ISO 21287 (20-100 mm) – ISO 21287 áp dụng cho xi lanh khí nén nhỏ gọn một thanh với áp suất làm việc tối đa lên tới 10 bar (1000 k Pa) và kích thước lỗ khoan từ 20 mm đến 100 mm. Dòng xi lanh khí nén này không được trang bị đệm điều chỉnh. Tuy nhiên, có cản cao su ở cả hai đầu để đệm. Dòng xi lanh khí nén ISO 21287 có kích thước nhỏ gọn và nhẹ, do đó, mong muốn cho các ứng dụng có giới hạn về không gian.

Tiêu chí lựa chọn xy lanh khí nén

Đường kính của xy lanh tỷ lệ thuận với lượng lực mà nó có thể tạo ra từ áp suất khí nén đầu vào:

F = (P x A) – f

F: Lực của xy lanh tạo ra (N)
P: Áp suất khí nén (MPa)
A: Diện tích pít-tông (mm2)
f: Lực ma sát (N)

Hành trình dài hơn đòi hỏi một thanh piston dài hơn, chuyển thành ứng suất cao hơn trên thanh. Trong các ứng dụng này, thường nên sử dụng các xi lanh lớn hơn có thể chứa đường kính thanh piston lớn hơn. Trong các xi lanh tác động đơn, lực tạo ra bị giảm thiểu do lực nén của lò xo phản hồi. Điều quan trọng là phải tính đến việc giảm lực đầu ra trong việc tính toán kích thước của các xi lanh này.  Khi đường kính xi lanh và hành trình được xác định, bố trí và cấu hình lắp xylanh phải được quyết định. Có nhiều lựa chọn lắp đặt được cung cấp bởi các nhà sản xuất.