Xi lanh khí nén là gì? cấu tạo, nguyên lý vận hành, phân loại

Xi lanh khí nén là một trong những bộ phận quan trọng nhất của một chiếc máy nén khí piston. Piston trong xi lanh sẽ di chuyển liên tục để giảm thể tích không khí từ đó tăng áp suất khí lên tạo thành khí nén. Để hiểu hơn về bộ phận này, hãy cùng chúng tôi tham khảo một số chia sẻ ngay sau đây.

Xi lanh khí nén là gì?

Xi lanh khí nén còn được biết đến với tên gọi là ben khí nén. Đây là một thiết bị cơ học sử dụng năng lượng khí nén để tạo lực cung cấp cho chuyển động. Xi lanh khí nén sẽ chuyển hóa năng lượng khí nén thành động năng làm piston trong xi lanh chuyển động, thông qua đó sẽ truyền động đến thiết bị hoạt động.

Cụ thể đối với máy bơm hơi nén khí, xi lanh khí nén chính là bộ phận tạo không gian hút và nén khí. Tại không gian bịt kín này, piston sẽ di chuyển để thay đổi thể tích khí từ đó gia tăng áp suất khí tạo thành khí nén.

Cấu tạo và kích thước xi lanh khí nén

Cấu tạo xi lanh khí nén khá phức tạp với một số bộ phận chính như: ty, nòng, trục piston, thân trụ, cửa cấp khí vào, cửa thoát khí ra, phớt, cảm biến xi lanh khí nén,...Tất cả những chi tiết kể trên đều được gia công vô cùng tỉ mỉ dựa theo tiêu chuẩn Châu Âu để tạo ra một cây xi lanh hoàn chỉnh nhất.

Kích thước xi lanh khí nén vô cùng đa dạng, tùy vào mục đích sử dụng khác nhau mà xi lanh có kích thước khác nhau. Có những xi lanh khí nén mini có kích chỉ khoảng 1/10 inch được ứng dụng trong những hoạt động đơn giản, nhẹ nhàng như: nâng hạ chi tiết điện tử, cửa tủ. Bên cạnh đó là những xi lanh kích thước lớn đến 39 inch dùng để thay thế cho xi lanh thủy lực.

Nguyên lý vận hành của xi lanh khí nén

Thực tế cho thấy những chiếc xi lanh khí nén có nguyên lý vận hành không quá phức tạp. Cụ thể, chúng sử dụng dòng khí nén có áp suất cao làm cho van đóng hoặc mở khi giải phóng hoặc nén khí. Cho dù van đóng hay mở, chúng đều sẽ phụ thuộc vào thiết kế cụ thể của van trong từng ứng dụng mà sử dụng nó.

Xi lanh sẽ chuyển hóa năng lượng khí nén thành động năng, để làm cho piston bên trong xi lanh chuyển động theo hướng mong muốn đến thiết bị bên ngoài.

Những chiếc xi lanh khí nén chuyên dụng hiện nay có thể tiến hành điều khiển bằng tay với việc sử dụng các công tắc hoặc là điều khiển bằng các nút bấm thông qua mạch điều khiển xi lanh khí nén từ đó cho phép người dùng kiểm soát van mở hoặc đóng.

Phân loại xi lanh khí nén

Thực tế hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại xi lanh khí nén khác nhau. Tuy nhiên phổ biến hơn cả chính là 2 loại xi lanh khí nén 1 chiều - xi lanh khí nén 2 chiều.

Xi lanh khí nén 1 chiều

Xi lanh 1 chiều hay còn được biết đến với tên gọi là xi lanh đơn. Đây là loại xi lanh mà áp lực tác động đến xi lanh chỉ từ một phía. Phía ngược lại sẽ do lực của lò xo hoặc là ngoại lực tác động lên.

Loại xi lanh đơn này được dùng phổ biến để truyền tải vật bất kỳ từ vị trí này sang vị trí khác hoặc là hỗ trợ nâng hạ một sản phẩm bất kỳ. Ví dụ như cửa đập thủy điện hay là tạo áp lực cho máy ép một sản phẩm nào đó,...

Sau khi được tác động lực, không khí nén được đưa đi vào thành ống có một đầu của piston, do đó khí nén sẽ chiếm không gian trong xi lanh. Đến một thời điểm xác định, khi mà lượng khí này lớn dần lên sẽ tạo lực đẩy piston di chuyển, quá trình di chuyển liên tục của piston sẽ sinh ra công và làm cho các thiết bị ở bên ngoài hoạt động.

Xi lanh khí nén 2 chiều

Bên cạnh xi lanh khí nén 1 chiều thì sẽ có xi lanh khí nén 2 chiều. Loại này còn còn được gọi là xi lanh kép, xi lanh tác động kép hay là xi lanh nén khí 2 đầu. Thiết bị này thường sử dụng áp lực không khí được cung cấp từ những chiếc máy nén khí piston để có thể di chuyển, đẩy ra và rút lại. Thông thường xi lanh kép sẽ có 2 cổng để hoạt động, với một cổng dành cho hành trình đi ra và cổng còn lại sẽ dành cho hành trình lùi về.

Xi lanh 2 chiều sẽ sinh ra lực đẩy piston từ cả 2 phía.  Chúng được thiết kế có cấu tạo 2 lỗ dùng để cấp nguồn khí nén cùng lưu lượng khí nén cấp cho van. Thường loại xi lanh kép này sử dụng các loại van điện từ chia khí như: kiểu 4/2, 5/2, 5/3 hoặc có thể là loại 2 đầu cuộn coil đều áp dụng được.

So với xi lanh 1 chiều thì những chiếc xi lanh 2 chiều được sử dụng phổ biến hơn nhờ khả năng ứng dụng linh hoạt cũng như khả năng sinh công lớn trong cả hai hành trình tiến hoặc lùi. Dòng xi lanh kép này được sử dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực như: cửa thông minh, cửa tự động, máy cẩu, cần cẩu, quá trình sản xuất bánh kẹo, đóng gói,...

Ngoài ra, xi lanh khí nén thành còn được phân loại thành một số loại không quá phổ biến như: xi lanh trượt, xi lanh khí nén 2 ty, xi lanh khí nén vuông, xi lanh khí nén quay hoặc phân chia dựa theo nguồn gốc xuất xứ, hãng sản xuất,...

Ứng dụng của xi lanh khí nén

Hiện nay những chiếc xi lanh khí nén nói riêng và các thiết bị khí nén nói chung được ứng dụng khá đa dạng trong đời sống hàng ngày cũng như sản xuất công nghiệp như sau:

• Xi lanh khí nén được sử dụng phổ biến cho quá trình nâng, hạ, kéo đẩy hay di chuyển các đồ vật với vận tốc nhanh chóng. Từ đó làm giảm các chi phí phát sinh, độ ồn nhỏ, giá thành lại phải chăng mà độ an toàn và bảo vệ môi trường lớn.

• Thiết bị này còn có vai trò vô cùng quan trọng trong ngành công nghiệp tự động hóa như: lắp ráp ô tô, xe cơ giới, lắp ráp linh kiện điện tử, sản xuất giấy, cơ khí chế tạo máy móc, chế biến gỗ,....

• Các loại xi lanh nén khí loại nhỏ được ứng dụng trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, sản xuất bánh kẹo, sản xuất thuốc lá, đóng gói nông - lâm sản, dệt may công nghiệp, bia rượu, nước giải khát,...

• Xi lanh nén khí còn được sử dụng trong ngành ép phế liệu, xử lý rác thải, tiệm cơ khí, nâng cửa xe ô tô, hỗ trợ trong các xưởng sửa chữa ô tô, cửa tủ thông minh, các thiết bị công trình xây dựng,....

Cách tính toán xi lanh khí nén

Việc tính toán xi lanh nén khí có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong quá trình hoạt động của thiết bị cũng như hỗ trợ lựa chọn xi lanh phù hợp. Để tính toán được thì cần dựa vào nhiều yếu tố như thông số kỹ thuật, hành trình của xi lanh và áp suất phá hủy.

Thông số kỹ thuật xi lanh khí nén

Công thức để tính lực đẩy của xi lanh khí nén:

Ftiến = p. (π. D2/4)

Trong đó:

• Ftiến: chính là lực được xi lanh tạo ra khi di chuyển từ phải qua trái. Đối với F lùi thì sẽ ngược lại và có đơn vị tính là Newton (N).

• p: chính là áp suất khí nén cần phải cấp cho khoang xi lanh, có đơn vị tính là Pa hay N/m2. Tuy nhiên, thực tế thì máy nén khí thường có đơn vị tính áp suất là là bar. Do đó ta có công thức quy đổi 1 bar = 10^5 Pa.

• D: là ký hiệu của đường kính xi lanh, có đơn vị là m

• d: biểu hiện đường kính cần xi lanh, cũng có đơn vị là m.

Tính hành trình xi lanh S

Hành trình xi lanh là khoảng cách xa nhất mà mỗi xi lanh có thể dịch chuyển. Hành trình xilanh phụ thuộc vào khoảng cách để xi lanh dịch chuyển. Do đó nên thông số kỹ thuật cần phải dựa vào thực tế yêu cầu. Người dùng cũng cần quan tâm khi chọn hành trình xi lanh thì cần phải chọn theo tiêu chuẩn của hãng.

Áp suất phá hủy

Áp suất phá hủy là thông số mà người dùng cần quan tâm để xi lanh có thể hoạt động. Nó quy định mức áp suất có thể gây hư hại cho xi lanh. Để đảm bảo vận hành an toàn thì mỗi xi lanh có giới hạn áp suất nhất định. Giá trị này được quy định ngay trên trên catalog xi lanh khí nén airtac.

Cách lắp ráp xi lanh khí nén

Thông thường, xi lanh khí nén được chia thành 3 cụm:

• Cụm A - đầu xi lanh

• Cụm B - đáy xi lanh

• Cụm C - nhóm thiết bị

Mỗi cụm sẽ được lắp ráp riêng cuối cùng mới ghép chúng lại với nhau cho ra xi lanh khí nén hoàn chỉnh.

Lắp ráp cụm A - Đầu xi lanh

Tại đường kính ngoài của bạc dẫn hướng chúng ta bôi một lớp mỡ bôi trơn mỏng rồi ghép với nắp trước thông qua sự hỗ trợ của máy ép thủy lực. Dùng bu lông có bậc để định tâm ống lót lên đường kính trong của nó. Sau đó ép bộ phớt chắn bụi đến mặt tựa trong lỗ khoan tiếp nhận đã được bôi mỡ với sự hỗ trợ của một ống lót. Vị trí của bạc đạn được xác định bởi vòng chặn đàn hồi.

Lấy tay đẩy phần gioăng giảm chấn vào trong lỗ khoan. Bộ phận này sẽ tự định tâm trại rãnh khoan sau khi bạn buông tay ra. Bên trong đó có độ rơ nhỏ dọc trục cuối vòng -O đã bôi trơn trước đó được đặt vào rãnh có sẵn của nắp trước.

Lắp cụm B - Đáy xi lanh

Cụm B gồm có nắp đáy và các gioăng (5) và (6). Cũng tiến hành như những gioăng tương đương của cụm A.

Lắp ráp cụm C - Nhóm thiết bị

Cụm này gồm các phần nối kết chặt với piston. Đẩy piston giảm chấn đi vào phần cắt bước đã bôi trơn của cây ti piston. Đẩy piston đi vào trên thanh piston. Sau đó vặn piston giảm chấn vào phần ren của cây ti piston rồi siết bằng chìa khóa sáu cạnh cùng một mô men xoắn đã được định trước.

Lắp ráp tổng thể

Mặt bích của xi lanh sẽ được đẩy qua xi lanh. Vòng chặn sẽ được đặt vào phần rãnh ở trong ống xi lanh. 
Lắp cụm C vào trong cụm A. Bôi mỡ bôi trơn vào các ngăn chứa chất bôi trơn và cây ti piston sau đó đưa ti piston vào phía trong bạc dẫn hướng của nắp trước. Lưu ý, không làm hư hại những vòng gioăng. Tiếp đó đưa piston vào xi lanh xuyên qua cây ti piston với cụm A.  

Vặn 4 vít lục giác chìm ở những vị trí chéo nhau. Nắp trước vặn vít với mặt bích xi lanh. Tương tự như thế, cụm B cũng được vặn vít với mặt bích của xi lanh. Sau khi lắp xong, kiểm tra lại xem xi lanh nén khí có dễ di chuyển, có bị dò khi làm việc không.