Các loại xi lanh khí: Hướng dẫn đầy đủ

Các loại xi lanh khí khác nhau là gì?

Xi lanh khí - còn gọi là xi lanh khí nén - chuyển đổi năng lượng khí nén thành chuyển động cơ học tuyến tính hoặc quay. có sáu loại xi lanh khí chính được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, ô tô và sản xuất: xi lanh tác động đơn, xi lanh tác động kép, xi lanh lồng, xi lanh không trục, xi lanh quay và xi lanh nhỏ gọn/dẫn hướng. Mỗi loại phục vụ một mục đích cơ học riêng biệt và việc chọn sai loại có thể dẫn đến hao mòn sớm, lãng phí năng lượng hoặc hỏng hóc toàn bộ hệ thống.

Việc hiểu các danh mục này không chỉ mang tính học thuật - thị trường xi lanh khí nén toàn cầu được định giá xấp xỉ 14,2 tỷ USD vào năm 2023 và được dự đoán sẽ tăng trưởng ổn định đến năm 2030, do nhu cầu tự động hóa trong đóng gói, chế biến thực phẩm và lắp ráp ô tô. Việc lựa chọn xi lanh phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian chu kỳ, mức tiêu thụ năng lượng và khoảng thời gian bảo trì.

Xi lanh khí tác động đơn

Xi lanh tác động đơn sử dụng khí nén để di chuyển piston chỉ theo một hướng. Hành trình quay trở lại được thực hiện bằng lò xo bên trong hoặc lực cơ học bên ngoài như trọng lực. Đây là một trong những xi lanh khí nén đơn giản và tiết kiệm chi phí nhất hiện có.

Xi lanh tác động đơn hoạt động như thế nào

Khí nén đi vào qua một cổng duy nhất và đẩy piston về phía trước. Khi áp suất không khí được giải phóng, lò xo bên trong sẽ đẩy piston trở lại vị trí ban đầu. Vì lò xo thực hiện một nửa công nên lực tác dụng hữu hiệu bị giảm đi do lực cản của lò xo - thường là giữa 10% và 20% tùy thuộc vào độ cứng của lò xo và kích thước xi lanh.

Ứng dụng phổ biến

• Kẹp và giữ phôi trong quá trình gia công
• Các hoạt động dập và đột trong đó hành trình quay trở lại không cần lực
• Bộ truyền động cửa và cổng nơi trọng lực hỗ trợ lực quay trở lại
• Cơ cấu phanh và thiết bị khóa an toàn
• Thiết bị nông nghiệp như máy gieo hạt và máy gieo hạt

Xi lanh tác động đơn là lựa chọn ưu tiên khi cần giảm thiểu lượng tiêu thụ không khí, vì không khí chỉ được tiêu thụ trong hành trình làm việc. Trong các ứng dụng chu trình cao chạy 50–100 chu kỳ mỗi phút, điều này có nghĩa là tiết kiệm khí nén một cách đáng kể trong suốt ca sản xuất.

Những hạn chế cần xem xét

Chiều dài hành trình của xi lanh tác động đơn bị hạn chế vì hành trình dài hơn đòi hỏi lò xo dài hơn, chiếm không gian lỗ khoan và làm giảm diện tích xi lanh có thể sử dụng. Trong thực tế, hầu hết các nhà sản xuất đều giới hạn các xi lanh hồi xuân ở hành trình 100 mm (khoảng 4 inch) hoặc ít hơn. Ngoài ra, thiết kế tác động kép trở nên thiết thực hơn.

Xi lanh khí tác động kép

Xi lanh tác động kép là loại xi lanh khí nén được sử dụng rộng rãi nhất trong tự động hóa công nghiệp. Chúng sử dụng khí nén để cung cấp năng lượng cho cả hành trình kéo dài và rút lại, giúp người vận hành có toàn quyền kiểm soát lực và tốc độ theo cả hai hướng.

Nguyên lý xây dựng và vận hành

Xy lanh tác động kép có hai cổng dẫn khí ở mỗi bên của piston. Khi không khí đi vào cổng đầu nắp, piston sẽ giãn ra. Khi không khí được dẫn vào cổng đầu thanh truyền, piston sẽ rút lại. Van điều khiển hướng (thường là van điện từ 4/2 hoặc 5/2) luân phiên luồng khí giữa hai cổng. Bởi vì không có lò xo tham gia, diện tích lỗ khoan đầy đủ góp phần mở rộng lực , làm cho các xi lanh này mạnh hơn đáng kể so với các xi lanh tác động đơn có cùng đường kính lỗ khoan.

Sự khác biệt về tính toán lực giữa các cú đánh

Một điểm khác biệt quan trọng: lực kéo dài và lực rút lại không bằng nhau. Trên hành trình mở rộng, lực được tính bằng cách sử dụng toàn bộ diện tích lỗ khoan. Trong hành trình rút lại, cần piston chiếm một phần lỗ khoan, do đó diện tích hiệu dụng - và do đó lực rút lại - nhỏ hơn một chút. Đối với một xi lanh có lỗ khoan 50 mm và một thanh 20 mm ở 6 bar, lực kéo dài xấp xỉ 1.178 N trong khi lực rút lại giảm xuống khoảng 990 N . Sự bất đối xứng này phải được tính đến trong các thiết kế trong đó lực rút lại là rất quan trọng.

Các trường hợp sử dụng điển hình

• Tự động hóa chọn và đặt trong dây chuyền lắp ráp
• Hệ thống chuyển hướng băng tải và phân loại
• Kẹp và đầu phun máy ép phun
• Dụng cụ cuối cánh tay robot
• Thiết bị hàn và ép thân ô tô

Xi lanh khí tác động kép có sẵn với nhiều kích cỡ lỗ khoan khác nhau, từ 8 mm đến trên 320 mm , bao gồm lực phát ra từ vài newton đến hàng chục kilonewton. Phạm vi rộng này làm cho chúng có thể thích ứng với hầu hết mọi ứng dụng công nghiệp.

Xi lanh khí dạng ống lồng

Xi lanh ống lồng được thiết kế cho các ứng dụng cần hành trình dài nhưng chiều dài rút lại (thu gọn) phải duy trì ngắn. Họ đạt được điều này bằng cách sử dụng nhiều ống lồng nhau - được gọi là các giai đoạn hoặc ống bọc - kéo dài tuần tự cái này vào trong ống kia.

Thiết kế kính thiên văn tác động đơn và tác động kép

Xi lanh ống lồng có sẵn ở cả cấu hình tác động đơn và tác động kép. Các phiên bản tác động đơn giản hơn và rẻ hơn nhưng dựa vào trọng lực hoặc trọng lượng tải để rút lại, khiến chúng chủ yếu phù hợp cho việc nâng thẳng đứng. Xi lanh ống lồng tác động kép có thể mở rộng và rút lại dưới tác dụng của lực, cho phép lắp ngang hoặc đảo ngược - mặc dù cấu trúc của chúng phức tạp hơn đáng kể và chi phí của chúng cao hơn đáng kể.

Ứng dụng chính

• Xe ben và xe ben cần 3–5 xi lanh
• Xe nâng cắt kéo và sàn làm việc trên không
• Máy móc sân khấu và trang bị giải trí
• Phần mở rộng của thang cứu hỏa

Một hình trụ ống lồng ba giai đoạn có chiều dài thu gọn là 600mm có thể đạt được một hành trình kéo dài hoàn toàn trên 1.700 mm - gần gấp ba lần chiều dài rút lại của nó. Hiệu suất không gian này không thể đạt được bằng xi lanh một thanh thông thường.

Giảm lực qua các giai đoạn

Một điều quan trọng cần cân nhắc về mặt kỹ thuật: mỗi giai đoạn kế tiếp trong một ống trụ dạng ống lồng có lỗ khoan nhỏ hơn giai đoạn trước, nghĩa là lực đầu ra giảm khi xi lanh mở rộng hơn nữa . Người thiết kế phải định cỡ hình trụ dựa trên vị trí tải trong trường hợp xấu nhất, thường xảy ra ở mức hoặc gần mức giãn nở hoàn toàn khi lực ở mức tối thiểu.

Xi lanh khí không cần trục

Xi lanh khí nén không cần trục loại bỏ hoàn toàn thanh piston truyền thống, thay vào đó truyền chuyển động của piston sang bộ phận vận chuyển bên ngoài hoặc trượt qua một khe hoặc khớp nối từ tính. Thiết kế này tăng gấp đôi hành trình hiệu quả cho một chiều dài lắp đặt nhất định so với xi lanh thanh thông thường, khiến chúng trở nên cực kỳ có giá trị trong môi trường hạn chế về không gian.

Xi lanh không có khe cơ khí

Trong thiết kế rãnh (hoặc dải) cơ khí, thân trụ có một rãnh dọc. Pít-tông bên trong được kết nối với một cỗ xe bên ngoài thông qua khe này. Một dải kim loại hoặc nhựa dẻo bịt kín khe ở cả hai bên của điểm kết nối để tránh rò rỉ không khí. Những xi lanh này có thể xử lý tải trọng trực tiếp và phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác dẫn hướng cao.

Xi lanh không trục được ghép từ tính

Xi lanh không trục được ghép từ tính sử dụng một pít-tông kín bên trong được trang bị nam châm vĩnh cửu mạnh. Một cỗ xe bên ngoài được trang bị các nam châm đối diện theo chuyển động của piston xuyên qua thành xi lanh mà không có bất kỳ khe vật lý nào. Thiết kế hoàn toàn kín này lý tưởng cho môi trường phòng sạch, cấp thực phẩm và rửa trôi vì không có khe hở để chất bẩn xâm nhập hoặc chất bôi trơn thoát ra ngoài. Sự đánh đổi là khả năng tải phụ tối đa thấp hơn so với các phiên bản có rãnh.

Nơi xi lanh không cần trục Excel

• Đơn vị chuyển tuyến tính trong máy đóng gói và dán nhãn
• Hệ thống con thoi ngang trong trung tâm gia công CNC
• Sản xuất thiết bị y tế nơi ô nhiễm là mối lo ngại
• Hệ thống Gantry và các giai đoạn định vị đa trục

Xi lanh không cần trục tiêu chuẩn có sẵn với chiều dài hành trình từ 50 mm đến trên 10.000 mm . Đối với các hành trình rất dài, nên sử dụng các thanh dẫn hướng chống xoay và giá đỡ trung tâm để ngăn thùng bị võng và cỗ xe bị trôi.

Xi lanh khí quay

Trong khi hầu hết các xi lanh khí nén tạo ra chuyển động tuyến tính, thì xi lanh khí quay chuyển đổi năng lượng khí nén thành chuyển động góc (quay). Chúng thường được gọi là bộ truyền động quay bằng khí nén. Chúng khác với động cơ không khí - xi lanh quay tạo ra xoay góc giới hạn (thường là 90°, 180° hoặc 270°) thay vì quay liên tục.

Thiết bị truyền động quay Rack-and-Pinion

Thiết kế xi lanh quay phổ biến nhất sử dụng một hoặc hai piston tuyến tính được kết nối với một bánh răng thanh răng, dẫn động trục bánh răng. Không khí đẩy (các) pít-tông, thanh răng làm quay bánh răng và mô-men xoắn được truyền đến trục đầu ra. Thiết kế giá đỡ kép cân bằng tải và gần gấp đôi mô-men xoắn đầu ra cho một kích thước lỗ khoan nhất định. Góc quay được điều chỉnh thông qua các điểm dừng bên ngoài, thường là từ 0° đến 270°.

Thiết bị truyền động quay kiểu cánh gạt

Bộ truyền động cánh gạt sử dụng một cánh khuấy (cánh quạt) gắn vào trục đầu ra bên trong một vỏ hình tròn. Áp suất không khí ở một bên cánh làm quay trục; không khí ở phía đối diện làm nó quay ngược lại. Thiết kế một cánh cho phép lên tới Xoay 280° , trong khi thiết kế hai cánh được giới hạn ở khoảng 100° nhưng cung cấp mô-men xoắn cao hơn trong thân máy nhỏ gọn hơn.

Ứng dụng điển hình

• Hoạt động của van trong đường ống xử lý (van bi một phần tư, van bướm)
• Bảng chỉ mục và định vị quay trong tự động hóa lắp ráp
• Khớp cổ tay và khuỷu tay robot
• Lật phần và định hướng trong đường truyền
• Thiết bị truyền động cửa và cửa sập trên thiết bị công nghiệp

Xi lanh khí nhỏ gọn và có hướng dẫn

Xi lanh nhỏ gọn và dẫn hướng là các biến thể chuyên dụng nhằm giải quyết hai thách thức rất cụ thể: không gian lắp đặt cực kỳ chật hẹp và các ứng dụng yêu cầu cần piston chống quay hoặc tải trọng ngang mà không cần dựa vào hệ thống dẫn hướng bên ngoài.

Xi lanh nhỏ gọn hành trình ngắn

Còn được gọi là xi lanh pancake hoặc xi lanh phẳng, các đơn vị này có chiều dài thân tối thiểu so với lỗ khoan của chúng. Đột quỵ thường được giới hạn ở 1 mm đến 50 mm . Cấu hình phẳng của chúng cho phép chúng được gắn ở những khu vực hạn chế nơi thân xi lanh tiêu chuẩn đơn giản là không vừa. Các trường hợp sử dụng phổ biến bao gồm ép PCB, phân phối nhãn và định vị vi mô trong thiết bị bán dẫn.

Xi lanh dẫn hướng (thanh đôi)

Xi lanh dẫn hướng kết hợp hai thanh piston song song được nối với một tấm phía trước chung. Cấu hình này ngăn chặn sự quay của thanh và cung cấp khả năng chống lại tải trọng mô men (lực lệch tâm). Xi lanh dẫn hướng có thể xử lý tải bên lớn hơn 4 đến 10 lần hơn so với xi lanh một thanh tiêu chuẩn có cùng lỗ khoan, loại bỏ sự cần thiết phải có dẫn hướng tuyến tính bên ngoài riêng biệt trong nhiều ứng dụng.

Xi lanh đơn vị trượt

Xi lanh đơn vị trượt tích hợp một cỗ xe dẫn hướng trực tiếp vào thân xi lanh. Bàn trượt di chuyển trên các vòng bi tuyến tính hoặc đường ray bi tuần hoàn và cung cấp một bề mặt lắp phẳng cho các dụng cụ hoặc đồ gá phôi. Các bộ phận tất cả trong một này giúp giảm đáng kể thời gian thiết kế và lắp ráp trong các dự án tự động hóa tùy chỉnh. Festo, SMC và Parker đều cung cấp các bộ trượt mô-đun với chiều dài hành trình và cấu hình vòng bi có thể hoán đổi cho nhau.

So sánh sơ lược các loại xi lanh khí

Kiểu lắp xi lanh và tác động của chúng đến hiệu suất

Bất kể loại xi lanh nào, cấu hình lắp đặt đều có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, tuổi thọ và quản lý tải. Xi lanh tiêu chuẩn ISO 15552 và NFPA T3.6.7 cung cấp các giao diện lắp đặt có thể hoán đổi cho nhau, giúp đơn giản hóa việc thay thế giữa các nhà sản xuất khác nhau.

• Giá đỡ chân (MS1/MS2): Gắn đế cố định; lý tưởng cho việc đẩy/kéo nội tuyến với tải trọng được căn chỉnh hợp lý. Độ lệch sẽ truyền ứng suất uốn tới thanh và vòng đệm.
• Giá đỡ mặt bích (MF1/MF2): Mặt bích phía trước hoặc phía sau bắt vít trực tiếp vào tấm máy. Tuyệt vời cho các ứng dụng có tải trọng cố định, nội tuyến.
• Ngàm khoan (MP1/MP3): Cho phép xi lanh quay khi tải di chuyển theo hình vòng cung. Được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị mở cửa, cơ cấu liên kết và hệ thống nghiêng. Nên sử dụng một thanh khoan ở đầu thanh (MP5) ở phía thanh để có khớp nối hoàn chỉnh.
• Giá đỡ trục (MT1/MT4): Cho phép thân xi lanh dao động trong một mặt phẳng. Phổ biến trong máy ép công nghiệp và xử lý vật liệu nơi cần có chuyển động xoay.

Việc lắp không chính xác là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến hỏng phớt sớm và ghi điểm trên thanh. Các nghiên cứu của các nhà sản xuất xi lanh khí nén hàng đầu chỉ ra rằng hơn 30% số lần hỏng xi lanh tại hiện trường là do căn chỉnh sai và lắp không đúng cách chứ không phải do lỗi vật liệu hoặc sản xuất.

Thông số kỹ thuật chính cần hiểu khi lựa chọn xi lanh khí

Việc chọn một bình khí không chỉ đơn thuần là chọn một loại. Một số thông số kỹ thuật phải được đánh giá cùng nhau để đảm bảo xi lanh hoạt động đáng tin cậy trong suốt thời gian sử dụng dự kiến.

Đường kính lỗ khoan và lực đầu ra

Lực ra được xác định theo công thức F = P × A, trong đó P là áp suất cung cấp và A là diện tích hiệu dụng của piston. Ở áp suất cung cấp tiêu chuẩn là 6 thanh (87 psi) , xi lanh có lỗ khoan 50 mm tạo ra khoảng 1.178 N trong hành trình kéo dài, trong khi xi lanh có lỗ khoan 80 mm tạo ra khoảng 3.016 N. Kích thước lỗ khoan được tiêu chuẩn hóa theo ISO 6432 và ISO 15552 để đơn giản hóa việc tính toán kích thước và tìm nguồn cung ứng.

Chiều dài hành trình và rủi ro oằn

Đối với xi lanh hành trình dài dưới tác dụng của tải trọng nén, thanh piston có thể bị cong (gãy cột) nếu đường kính thanh truyền quá nhỏ. Các kỹ sư sử dụng công thức cột Euler để kiểm tra giới hạn uốn và hầu hết các nhà sản xuất đều cung cấp biểu đồ hành trình tải tự động kết hợp một hệ số an toàn từ 3:1 đến 5:1 . Khi đường kính thanh tiêu chuẩn không đủ, cần chỉ định các tùy chọn thanh quá khổ hoặc hệ thống dẫn hướng bên ngoài.

Nhiệt độ hoạt động và vật liệu làm kín

Các con dấu NBR (nitrile) tiêu chuẩn bao gồm nhiệt độ hoạt động từ -20°C đến 80°C . Đối với nhiệt độ cao lên tới 200°C, sử dụng vòng đệm silicone hoặc PTFE. Đối với môi trường nhiệt độ thấp (lạnh đến -40°C), có sẵn các hợp chất polyurethane hoặc nitrile nhiệt độ thấp có công thức đặc biệt. Việc lựa chọn vật liệu bịt kín cũng bị ảnh hưởng bởi khả năng tương thích với môi trường — ví dụ: nếu xi lanh được sử dụng trong môi trường chế biến thực phẩm với việc rửa trôi thường xuyên bằng chất tẩy rửa ăn da, thì phốt EPDM và thân bằng thép không gỉ là thông số kỹ thuật chính xác.

Đệm cuối hành trình

Ở tốc độ chu kỳ cao, piston đi đến cuối hành trình mà không có đệm sẽ tạo ra tác động cơ học đáng kể, tạo ra tiếng ồn và tăng tốc độ mài mòn cho các bộ phận bên trong. Đệm khí nén có thể điều chỉnh giữ một lượng không khí nhỏ ở gần cuối hành trình, tạo ra sự giảm tốc dần dần. Đệm được điều chỉnh phù hợp có thể làm giảm lực tác động bằng cách 80% đến 95% so với các xi lanh không có đệm chạy ở cùng tốc độ và tải trọng.

Các yếu tố bảo trì giúp kéo dài tuổi thọ của xi lanh khí

Ngay cả xi lanh khí nén chất lượng cao nhất cũng sẽ bị hỏng sớm nếu hệ thống vận hành nó không được bảo trì đúng cách. Các yếu tố sau đây là quan trọng nhất.

Chất lượng không khí và lọc

Độ ẩm và các hạt nhiễm bẩn trong khí nén là nguyên nhân hàng đầu gây ăn mòn bên trong và xuống cấp vòng đệm kín. Chất lượng không khí ISO 8573-1 Loại 3 (các hạt 5 µm, điểm sương áp suất 3°C, nồng độ dầu 1 mg/m³) thường được chấp nhận làm tiêu chuẩn tối thiểu cho xi lanh khí nén. Việc sử dụng bộ phận FRL (bộ điều chỉnh-bôi trơn) thích hợp trên mỗi mạch sẽ kéo dài tuổi thọ vòng đệm bằng hai đến ba lần so với các hệ thống không được lọc, không được bôi trơn.

Thực hành bôi trơn

Xi lanh khí nén hiện đại thường được cung cấp trước bằng mỡ bôi trơn có tuổi thọ cao và được thiết kế cho các hệ thống không khí không được bôi trơn. Việc thêm chất bôi trơn bằng sương mù dầu vào các xi lanh như vậy thực sự có thể làm sạch dầu mỡ do nhà máy áp dụng và rút ngắn tuổi thọ sử dụng. Luôn xác nhận với nhà sản xuất xem việc bôi trơn đường khí được khuyến nghị hay chống chỉ định cho một kiểu xi lanh cụ thể.

Cần gạt nước và ô nhiễm bên ngoài

Trong môi trường bụi bặm hoặc bẩn thỉu, các mảnh vụn bám vào cần piston sẽ bị hút trở lại vào xi lanh trong mỗi hành trình rút lại, hoạt động như một chất mài mòn trên phốt thanh. Vòng đệm gạt nước - còn được gọi là vòng gạt - là một tính năng tiêu chuẩn trên hầu hết các xi lanh công nghiệp nhưng cần được kiểm tra và thay thế như một phần của lịch bảo trì phòng ngừa, thường là mỗi 6 đến 12 tháng trong môi trường ô nhiễm cao.

Cách chọn đúng loại xi lanh khí nén

Việc thu hẹp loại xi lanh chính xác cho một ứng dụng nhất định bao gồm việc thực hiện thông qua quy trình quyết định đơn giản dựa trên các yêu cầu chức năng.

1. Xác định loại chuyển động: Chuyển động cần thiết là tuyến tính, góc cạnh hay quay? Chuyển động tuyến tính hướng tới các xi lanh tiêu chuẩn, không cần trục, nhỏ gọn hoặc dẫn hướng. Chuyển động góc hướng tới bộ truyền động quay.
2. Xác định yêu cầu về lực: Tính toán tải trọng bao gồm ma sát, quán tính và các thành phần trọng lực thẳng đứng. Thêm hệ số an toàn ít nhất là 1,5× và chọn đường kính lỗ khoan từ bảng lực của nhà sản xuất.
3. Thiết lập nét vẽ: Nếu hành trình ngắn và không gian chật hẹp thì xi lanh nhỏ gọn là phù hợp. Nếu hành trình dài nhưng chiều dài lắp đặt bị hạn chế thì nên xem xét sử dụng xi lanh không cần thanh hoặc ống lồng.
4. Đánh giá điều kiện môi trường: Nhiệt độ khắc nghiệt, tiếp xúc với hóa chất, yêu cầu rửa sạch và mức độ bụi đều ảnh hưởng đến vật liệu thân máy, lựa chọn vòng đệm và thông số kỹ thuật hoàn thiện bề mặt.
5. Kiểm tra tốc độ chu kỳ và chu kỳ nhiệm vụ: Các ứng dụng tốc độ cao, chu kỳ cao yêu cầu lớp đệm thích hợp, kích thước cổng thích hợp và các hợp chất bịt kín có khả năng chịu nhiệt để xử lý nhiệt sinh ra do nén lặp đi lặp lại.
6. Đánh giá các yêu cầu về tải trọng bên và mômen tải: Nếu xi lanh chịu tác dụng của lực ngoài trục, thì xi lanh dẫn hướng hoặc dẫn hướng tuyến tính bên ngoài là cần thiết để ngăn chặn sự mài mòn của ống lót và vòng đệm thanh sớm.

Bằng cách làm theo cách tiếp cận có cấu trúc này, hầu hết các kỹ sư có thể tự tin chỉ định loại và kích thước xi lanh khí nén phù hợp trong lần thử đầu tiên, tránh việc thiết kế lại và chu kỳ thay thế tốn kém sau này trong dự án.