Xi lanh thủy lực hoạt động như thế nào? Cấu tạo và nguyên lý

Xi lanh thủy lực là cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến năng lượng của dầu thủy lực thành lực và chuyển động thẳng. Nhờ khả năng tạo lực lớn trong một kết cấu tương đối nhỏ gọn, xi lanh được sử dụng phổ biến trong máy ép, xe nâng, máy xúc, xe ben, thiết bị nâng hạ và nhiều hệ thống công nghiệp.

Khi dầu có áp suất được đưa vào bên trong xi lanh, áp suất tác động lên bề mặt piston và tạo lực làm piston cùng ty xi lanh di chuyển. Hướng chuyển động được điều khiển bằng cách thay đổi đường dầu cấp và đường dầu hồi thông qua van phân phối.

Xi lanh thủy lực là gì?

Xi lanh thủy lực là một dạng bộ truyền động tuyến tính. Thiết bị nhận dầu từ bơm thủy lực, chuyển áp suất của dầu thành lực cơ học và truyền lực ra bên ngoài thông qua ty xi lanh.

Khác với motor thủy lực tạo chuyển động quay, xi lanh tạo chuyển động thẳng để thực hiện các công việc như:

• Nâng hoặc hạ tải trọng.
• Đẩy và kéo cơ cấu máy.
• Ép, kẹp hoặc giữ chi tiết.
• Đóng mở cửa, van và cơ cấu chấp hành.
• Điều chỉnh vị trí của thiết bị.

Để xi lanh duy trì áp suất và hạn chế rò rỉ, bên trong thiết bị cần sử dụng một hệ thống phớt thủy lực gồm nhiều chi tiết làm kín và dẫn hướng khác nhau.

Cấu tạo cơ bản của xi lanh thủy lực

Một xi lanh thủy lực thông thường gồm những bộ phận chính sau:

• Ống xi lanh: tạo khoang chứa dầu và bề mặt làm việc cho piston.
• Piston: chia không gian bên trong xi lanh thành hai khoang áp suất.
• Ty xi lanh: liên kết với piston và truyền lực ra tải bên ngoài.
• Nắp đáy: đóng kín đầu không có ty của xi lanh.
• Nắp dẫn hướng: đỡ, dẫn hướng và làm kín cho ty xi lanh.
• Cổng dầu: cho phép dầu áp suất đi vào hoặc thoát khỏi từng khoang.
• Phớt piston: ngăn dầu đi tắt giữa hai khoang áp suất.
• Phớt ty: ngăn dầu rò rỉ ra ngoài theo bề mặt ty.
• Phớt gạt bụi: ngăn bụi, nước và tạp chất đi vào xi lanh.
• Vòng dẫn hướng: chịu tải ngang và giữ piston, ty chuyển động đúng tâm.
• O-ring: làm kín tĩnh tại nắp và các vị trí lắp ghép.

Xi lanh thủy lực hoạt động theo nguyên lý nào?

Nguyên lý hoạt động của xi lanh dựa trên áp suất của chất lỏng trong một hệ thống kín. Dầu do bơm cung cấp đi qua van điều khiển và được đưa vào một trong hai khoang của xi lanh.

Áp suất dầu tác động lên diện tích làm việc của piston và tạo lực theo công thức cơ bản:

Lực xi lanh = Áp suất dầu × Diện tích chịu áp suất của piston

Áp suất càng cao hoặc diện tích piston càng lớn thì lực lý thuyết tạo ra càng lớn. Tuy nhiên, lực thực tế còn bị ảnh hưởng bởi ma sát của phớt, tổn thất áp suất, tải ngang, tình trạng bề mặt ty và hiệu suất của hệ thống.

Quá trình ty xi lanh đi ra

Đối với xi lanh thủy lực tác động kép, khi van đưa dầu áp suất vào khoang đáy piston, dầu tạo lực đẩy lên toàn bộ diện tích mặt piston. Piston di chuyển về phía có ty và làm ty xi lanh đi ra.

Trong quá trình này, dầu đang nằm trong khoang có ty bị piston chiếm chỗ và được đẩy qua cổng dầu còn lại để trở về thùng chứa.

Do lực đẩy được tính trên toàn bộ diện tích piston nên đây thường là hành trình tạo lực lớn hơn của xi lanh một ty.

Quá trình ty xi lanh thu vào

Khi van đảo chiều, dầu áp suất được cấp vào khoang có ty. Áp suất tác động lên diện tích hình vành khăn, bằng diện tích piston trừ đi diện tích tiết diện của ty.

Piston bị đẩy về phía nắp đáy, làm ty xi lanh thu vào. Đồng thời, dầu trong khoang đáy piston được đẩy ra ngoài và trở về thùng chứa.

Với cùng một lưu lượng dầu, hành trình thu vào thường nhanh hơn hành trình đi ra vì khoang có ty có thể tích làm việc nhỏ hơn. Ngược lại, lực thu vào thường thấp hơn do diện tích chịu áp suất nhỏ hơn.

Vai trò của hệ thống phớt xi lanh thủy lực

Khả năng tạo lực và giữ áp của xi lanh phụ thuộc rất lớn vào hệ thống phớt. Mỗi loại phớt đảm nhận một chức năng riêng và cần được lựa chọn theo áp suất, tốc độ, nhiệt độ, loại dầu và kích thước rãnh lắp.

Phớt piston

Phớt piston thủy lực được lắp trong rãnh trên piston, có nhiệm vụ tách hai khoang dầu và hạn chế rò rỉ nội bộ.

Nếu phớt piston bị mòn, dầu có thể đi từ khoang áp suất cao sang khoang áp suất thấp. Khi đó, xi lanh có thể yếu lực, tự trôi, tụt tải hoặc không giữ được vị trí dù bên ngoài không xuất hiện dầu rò rỉ.

Phớt ty

Phớt ty thủy lực được lắp tại nắp dẫn hướng, bao quanh bề mặt ty. Nhiệm vụ chính của phớt là giữ dầu bên trong xi lanh khi ty chuyển động ra vào.

Phớt ty bị mòn, rách hoặc lắp sai chiều có thể làm dầu chảy dọc theo ty, gây thất thoát dầu, giảm áp suất và làm bẩn khu vực làm việc.

Phớt gạt bụi

Phớt gạt bụi nằm ở vị trí ngoài cùng của nắp xi lanh. Chi tiết này gạt bụi, nước, bùn và mạt kim loại khỏi bề mặt ty trước khi ty đi vào bên trong.

Nếu phớt gạt bụi hư hỏng, tạp chất có thể đi vào xi lanh, làm xước ty, hỏng phớt ty và gây nhiễm bẩn dầu thủy lực.

Vòng dẫn hướng

Wear Ring – vòng dẫn hướng có nhiệm vụ chịu tải ngang, giữ piston và ty chuyển động đúng tâm, đồng thời ngăn các chi tiết kim loại tiếp xúc trực tiếp với nhau.

Khi vòng dẫn hướng bị mòn, piston hoặc ty có thể lệch tâm, làm phớt mòn không đều và gây xước lòng xi lanh.

O-ring và vòng chống đùn

O-ring thường được sử dụng để làm kín tĩnh tại nắp xi lanh, piston, cổng dầu hoặc các mối lắp ghép.

Trong hệ thống có áp suất cao hoặc khe hở lớn, O-ring có thể được lắp cùng Back-up Ring. Vòng chống đùn giúp ngăn O-ring bị ép vào khe hở, cắt mép hoặc biến dạng dưới tác động của áp suất.

Xi lanh tác động đơn và xi lanh tác động kép

Xi lanh thủy lực tác động đơn

Xi lanh tác động đơn chỉ sử dụng áp suất dầu để tạo chuyển động theo một hướng. Hành trình trở về được thực hiện bằng lò xo, trọng lượng của tải hoặc một lực tác động bên ngoài.

Loại xi lanh này thường được sử dụng trong kích thủy lực, ben nâng, bàn nâng và các ứng dụng chỉ cần lực chủ động theo một hướng.

Xi lanh thủy lực tác động kép

Xi lanh tác động kép có hai cổng dầu. Áp suất dầu có thể tác động vào hai phía của piston để chủ động điều khiển cả hành trình đi ra và hành trình thu vào.

Đây là loại được sử dụng phổ biến trong máy công trình, máy ép, xe nâng, máy sản xuất và các cơ cấu cần kiểm soát lực theo cả hai hướng.

Yếu tố quyết định lực và tốc độ xi lanh

• Áp suất dầu: ảnh hưởng trực tiếp đến lực tạo ra.
• Đường kính piston: quyết định diện tích chịu áp suất.
• Đường kính ty: ảnh hưởng đến lực và tốc độ hành trình thu vào.
• Lưu lượng dầu: quyết định tốc độ di chuyển của piston.
• Hành trình: xác định khoảng dịch chuyển lớn nhất của ty.
• Ma sát phớt: làm giảm một phần lực thực tế.
• Tải ngang: làm tăng mài mòn vòng dẫn hướng, ty và lòng xi lanh.

Áp suất chủ yếu quyết định khả năng sinh lực, trong khi lưu lượng dầu chủ yếu quyết định tốc độ chuyển động. Không nên tự ý tăng áp suất vượt giới hạn thiết kế để khắc phục tình trạng xi lanh thiếu lực.

Nguyên nhân khiến xi lanh yếu lực hoặc chuyển động không ổn định

• Phớt piston bị mòn gây rò rỉ giữa hai khoang.
• Phớt ty hư hỏng làm dầu rò ra ngoài.
• Bơm không tạo đủ áp suất hoặc lưu lượng.
• Van điều khiển bị kẹt hoặc rò rỉ.
• Không khí lọt vào hệ thống thủy lực.
• Dầu bị nhiễm bẩn hoặc không đúng độ nhớt.
• Ty xi lanh bị cong, xước hoặc rỗ bề mặt.
• Ống xi lanh bị mòn, xước hoặc biến dạng.
• Vòng dẫn hướng bị mòn làm piston hoặc ty lệch tâm.
• Tải thực tế vượt quá khả năng thiết kế.

Khi nào cần thay bộ phớt xi lanh?

Nên kiểm tra hoặc thay phớt khi xi lanh xuất hiện các dấu hiệu như rò dầu tại ty, tụt tải, yếu lực, chuyển động giật, tự trôi hoặc phải tăng áp suất mới hoạt động được.

Khi xi lanh đã được tháo để sửa chữa, nên kiểm tra đồng bộ phớt ty, phớt piston, phớt gạt bụi, vòng dẫn hướng, O-ring và vòng chống đùn. Việc sử dụng một Seal Kit thủy lực phù hợp giúp thay thế đồng bộ các chi tiết đã lão hóa và hạn chế phải tháo xi lanh nhiều lần.

Lưu ý khi tháo lắp và bảo trì xi lanh

• Xả hết áp suất trước khi tháo đường dầu hoặc mở xi lanh.
• Làm sạch rãnh phớt, piston, nắp và lòng xi lanh.
• Kiểm tra ty có bị cong, xước, rỗ hoặc bong lớp mạ hay không.
• Loại bỏ bavia và cạnh sắc có thể cắt môi phớt.
• Bôi trơn phớt bằng dầu thủy lực sạch trước khi lắp.
• Lắp đúng chiều chịu áp suất của phớt ty và phớt piston.
• Không sử dụng tua vít hoặc vật sắc để móc và ép phớt.
• Thay vòng dẫn hướng nếu đã mòn hoặc biến dạng.
• Xả khí và chạy thử ở áp suất thấp sau khi lắp.

Đối với phớt PTFE, Glyd Ring hoặc các rãnh nằm sâu, nên sử dụng dụng cụ tháo lắp phớt chuyên dụng để hạn chế xoắn phớt, sứt môi làm kín và làm xước rãnh.

Cách chọn phớt cho xi lanh thủy lực

Để lựa chọn đúng phớt, cần cung cấp đầy đủ những thông tin sau:

• Đường kính ty và đường kính lòng xi lanh.
• Đường kính piston.
• Chiều rộng, chiều sâu và đường kính rãnh phớt.
• Hình dạng và kích thước mẫu phớt cũ.
• Áp suất làm việc và áp suất xung.
• Tốc độ chuyển động của piston.
• Nhiệt độ và loại dầu thủy lực.
• Môi trường bụi, nước, bùn hoặc hóa chất.

Không nên chọn phớt chỉ dựa vào đường kính danh nghĩa hoặc hình dạng bên ngoài. Hai phớt có hình dáng gần giống nhau vẫn có thể khác vật liệu, kích thước rãnh, hướng chịu áp và điều kiện vận hành.

Ứng dụng của xi lanh thủy lực

Xi lanh thủy lực được sử dụng trong máy ép, máy xúc, xe nâng, xe ben, cần cẩu, bàn nâng, máy nông nghiệp, thiết bị khai khoáng, dây chuyền luyện kim và nhiều hệ thống tự động hóa công nghiệp.

Hiểu đúng nguyên lý hoạt động giúp người sử dụng lựa chọn kích thước xi lanh phù hợp, phát hiện nguyên nhân mất lực và bảo trì hệ thống hiệu quả hơn.

Sealtech Vietnam cung cấp phớt thủy lực cho xi lanh, phớt piston, phớt ty, phớt gạt bụi, vòng dẫn hướng, O-ring, Back-up Ring và bộ Seal Kit theo mã hàng, mẫu cũ, kích thước thực tế hoặc bản vẽ kỹ thuật.