Các loại xi lanh thủy lực: Hướng dẫn định cỡ và lựa chọn

Xi lanh thủy lực cung cấp lực tuyến tính được kiểm soát trong máy xúc, máy nông nghiệp, máy ép,-hệ thống xử lý vật liệu, thiết bị hàng hải và tự động hóa nhà máy.

Xi lanh bên phải phụ thuộc vào nhiều thứ hơn là lỗ khoan và hành trình. Lực cần thiết, không gian lắp đặt, hướng tải, áp suất, môi trường, chu kỳ làm việc và hình dạng lắp đặt đều ảnh hưởng đến sự lựa chọn. Hướng dẫn này giải thích các loại xi lanh chính, cấu trúc, kích thước cơ bản của chúng và thông tin mà người mua ở Hoa Kỳ nên thu thập trước khi đặt hàng một đơn vị tiêu chuẩn hoặc tùy chỉnh.

Các loại xi lanh thủy lực và nơi chúng được sử dụng

Xi lanh thủy lực có thể được phân loại theo phương pháp truyền động, thiết kế bên trong, kết cấu và bố trí lắp đặt. Các danh mục chồng chéo lên nhau. Ví dụ: một xi lanh hàn cũng có thể tác động-kép, trong khi xi lanh ống lồng có thể tác động đơn- hoặc-kép.

*Những số liệu này là phạm vi ứng dụng rộng, không phải là xếp hạng phổ quát. Luôn sử dụng xếp hạng áp suất-áp suất làm việc và áp suất bằng chứng-của nhà sản xuất.

Xi lanh tác động đơn{0}}và xi lanh tác động kép

A xi lanh tác động-đơn sử dụng áp suất thủy lực để di chuyển piston theo một hướng. Trọng lực, lò xo hoặc tải trọng bên ngoài thường tạo ra chuyển động quay trở lại. Sự sắp xếp này hoạt động tốt cho các ứng dụng chẳng hạn như đổ-nâng cơ thể, trong đó việc rút lại bằng điện là không cần thiết.

A xi lanh tác động kép-có các cổng áp suất ở cả hai phía của piston, do đó dầu thủy lực điều khiển độ giãn và co lại. Đó là lựa chọn tốt hơn khi máy cần chuyển động được kiểm soát theo cả hai hướng, thời gian chu kỳ nhất quán hoặc định vị chính xác.

Xi lanh kính thiên văn

A xi lanh thủy lực kính thiên văncòn được gọi là hình trụ nhiều tầng, chứa một số tầng hình ống lồng vào nhau. Ưu điểm chính của nó là tỷ lệ giữa hành trình và chiều dài rút lại. Một hình trụ kín tương đối ngắn có thể kéo dài gấp nhiều lần chiều dài ban đầu của nó.

Thiết kế này phổ biến ở xe ben, xe moóc, thiết bị thu gom rác, bệ nâng và các loại máy khác có không gian lắp đặt hạn chế.

Xi lanh không cần trục

Một xi lanh không cần trục truyền chuyển động của pít-tông sang một bộ phận vận chuyển bên ngoài mà không cần một thanh truyền thống kéo dài ra khỏi thân. Nó mang lại khả năng di chuyển dài khi không có đủ chỗ cho cả thùng xi lanh và thanh kéo dài.

Hướng dẫn tải là hạn chế chính. Tải trọng chuyển động nói chung phải có hướng dẫn bên ngoài thay vì buộc xi lanh phải hấp thụ các mômen lớn hoặc tải trọng bên.

Pit tông, thanh giằng-và trụ hàn

Một pít tông hoặc xi lanh ram tạo ra lực nén thông qua một -pít tông có đường kính lớn và thường được sử dụng để nâng và ép.

Xy lanh thanh buộc-sử dụng các thanh ren bên ngoài để giữ các nắp cuối lại với nhau. Kích thước lắp đặt được tiêu chuẩn hóa và kết cấu sử dụng được khiến chúng trở nên phổ biến trong máy móc công nghiệp.

Xi lanh hàn sử dụng cấu trúc thùng và nắp cuối{0}}được hàn. Chúng có vỏ bọc nhỏ gọn và độ bền kết cấu cao, phù hợp với thiết bị thủy lực di động.

Các thành phần xi lanh và cấu hình lắp đặt

 

Hầu hết các xi lanh thủy lực thông thường đều có các bộ phận cơ bản giống nhau:

- Thùng xi lanh chứa áp suất và dẫn hướng hành trình của piston.
- Piston tách các buồng áp suất và chuyển đổi áp suất thành lực.
- Thanh piston truyền lực đó tới máy.
- Đầu xi lanh và nắp đóng thùng và đỡ các bộ phận bên trong.
- Ổ trục hoặc thanh dẫn hướng hỗ trợ thanh và duy trì sự thẳng hàng.
- Vòng đệm pít-tông và thanh truyền hạn chế rò rỉ dầu bên trong và bên ngoài.
- Cần gạt nước giữ cho bụi bẩn và hơi ẩm không xâm nhập vào xung quanh thanh gạt.
- Cổng thủy lực kết nối xi lanh với van, ống mềm hoặc đường ống.

Sơ đồ mặt cắt được gắn nhãn bên cạnh phần này có thể giúp người mua không{0}}về kỹ thuật xác định thùng, pít-tông, thanh truyền, vòng đệm, vòng đệm và cổng.

Các kiểu lắp phổ biến

Giá đỡ mặt bích giúp gắn chặt và xử lý tải trọng dọc trục một cách hiệu quả khi được căn chỉnh chính xác.

Giá đỡ chân hoặc vấu-bên giữ chặt thân xi lanh vào khung máy. Chúng yêu cầu căn chỉnh cẩn thận để tránh tải bên.

Giá đỡ lỗ khoan và chốt{0}}cho phép hình trụ xoay khi cơ cấu di chuyển. Chúng phổ biến trên các thiết bị xây dựng và nông nghiệp.

Các giá đỡ trục cho phép chuyển động góc xung quanh một trục cố định và các cơ cấu phù hợp trong đó hình trụ thay đổi góc thông qua hành trình.

Các đầu thanh truyền-hình cầu giúp hạn chế độ lệch góc và rất hữu ích trong các cơ cấu khớp nối chịu tải trọng cao.

Dù sử dụng loại giá đỡ nào thì nó cũng phải tuân theo đường dẫn tải thực tế. Xi lanh thủy lực được thiết kế chủ yếu cho lực dọc trục chứ không phải để dẫn hướng kết cấu. Việc lệch trục có thể gây ra hiện tượng mòn đệm-của thanh sớm, tạo thành vết xước, mòn nòng không đều, dính, uốn thanh và mỏi xung quanh các mối hàn hoặc giá đỡ.

Các giá đỡ hình cầu và được ghim thường phù hợp với các cơ cấu di chuyển theo hình vòng cung. Mặt bích cứng và giá đỡ chân đòi hỏi sự căn chỉnh đặc biệt chính xác.

Các tiêu chuẩn NFPA đề cập đến các kích thước lỗ và thanh của sê-ri inch-, kích thước lắp đặt công nghiệp, các cổng, độ vênh và các phương pháp đánh giá áp suất-. Chúng đặc biệt có liên quan khi thiết bị của Hoa Kỳ yêu cầu khả năng thay thế lẫn nhau.

Tính toán kích thước, lực và áp suất

Kích thước xi lanh bắt đầu bằng mối quan hệ giữa áp suất, diện tích piston và lực:

**Lực=Áp suất × Diện tích**

hoặc:

**F = P × A**

Ở đâu:

- **F**=lực tính bằng pound-lực (lbf)
- **P**=áp suất thủy lực tính bằng psi
- **A**=diện tích hiệu dụng của pít-tông tính bằng inch vuông

Để gia hạn:

**A=π × Lỗ khoan ` 4**

Để rút lại:

**A=Diện tích pít-tông − Diện tích thanh**

Do thanh truyền làm giảm diện tích hiệu quả ở một bên của pít-tông nên xi lanh tác động kép, một thanh truyền thống thường tạo ra lực kéo ít hơn lực đẩy ở cùng một áp suất.

Ví dụ 1: Cần có lỗ khoan cho 10.000 lbf ở áp suất 3.000 psi

Lực cần thiết:

**F=10.000 lbf**

Áp lực có sẵn:

**P=3.000 psi**

Diện tích piston cần thiết:

**A = F ÷ P**

**Một=10.000 ÷ 3,000=3.33 in²**

Đường kính lỗ khoan:

**Khoảng kính=√(4A `π)**

**Khoảng kính ≈ 2,06 inch**

Lỗ khoan 2,06 inch là mức tối thiểu theo lý thuyết. Một thiết kế thực tế cũng phải cho phép ma sát, tổn thất áp suất, sự thay đổi tải trọng và giới hạn an toàn thích hợp. Do đó, lỗ tiêu chuẩn phù hợp tiếp theo có thể được chọn thay vì chỉ định kích thước lý thuyết chính xác.

Tốc độ dòng chảy và xi lanh

Dòng chảy quyết định phần lớn tốc độ xi lanh:

**Vận tốc=Dòng chảy `Diện tích hiệu quả**

Một gallon Mỹ xấp xỉ 231 inch khối. Vì thế:

**10 GPM=10 × 231 ÷ 60=38.5 in³/giây**

Ví dụ 2: Thời gian kéo dài xi lanh-bằng kính thiên văn gần đúng

Hãy xem xét một xi lanh ống lồng tác động đơn, ba{0}}giai đoạn đơn giản-được cung cấp ở tốc độ 10 GPM.

| Sân khấu|Đường kính hiệu quả|Khu vực|Đột quỵ |
| --- | ---: | ---: | ---: |
| Giai đoạn 1|4.0 inch|12,57 inch vuông|20 năm |
| Giai đoạn 2|3.0 inch|7,07 inch vuông|20 năm |
| Giai đoạn 3|2,25 inch|3,98 inch vuông|20 năm |

Với tốc độ 38,5 in³/giây, Giai đoạn 1 di chuyển ở:

**38,5 ÷ 12.57=3.06 trong/giây**

Thời gian gia hạn của nó là:

**20 `3,06 ≈ 6,5 giây**

Đối với Giai đoạn 2:

**38,5 ÷ 7.07=5.45 trong/giây**

**Thời gian ≈ 3,7 giây**

Đối với Giai đoạn 3:

**38,5 ÷ 3.98=9.67 trong/giây**

**Thời gian ≈ 2,1 giây**

Tổng thời gian gia hạn gần đúng là:

**6.5 + 3.7 + 2.1=12.3 giây**

Đây là một tính toán đơn giản. Thiết kế hình trụ- dạng ống lồng thực tế phải sử dụng diện tích hiệu quả của bệ đỡ của nhà sản xuất và tính đến trình tự, hình học bên trong, ma sát, tổn thất áp suất và những thay đổi về tải trọng.

Các lỗi định cỡ phổ biến

Trước khi đặt hàng, hãy kiểm tra xem phép tính có:

- Đã sử dụng toàn bộ diện tích lỗ khoan thay vì diện tích hình khuyên cho lực rút
- Bỏ qua tổn thất áp suất qua van và ống mềm
- Chỉ chọn xi lanh từ áp suất hệ thống tối đa
- Bỏ qua hiện tượng mất ổn định của thanh trong một hành trình nén dài
- Không thể tính đến tải bên
- Kích thước lưu lượng thủy lực thấp hơn trong thời gian chu kỳ cần thiết
- Đã bỏ qua phần giảm chấn ở gần cuối cú đánh

Một máy tính trực tuyến có thể đơn giản hóa công việc này. Đầu vào hữu ích bao gồm lỗ khoan, đường kính thanh, hành trình, áp suất, lưu lượng, tải trọng và hệ số an toàn. Các đầu ra có thể bao gồm lực kéo và lực rút, lượng dầu và thời gian di chuyển ước tính.

Vật liệu, con dấu, lớp phủ và tiêu chuẩn

Vật liệu phải phù hợp với cả tải trọng cơ học và môi trường vận hành. Thép carbon được sử dụng rộng rãi cho thùng và các bộ phận kết cấu. Các ứng dụng hàng hải,{2}}chế biến thực phẩm, hóa chất và có tính ăn mòn cao có thể yêu cầu thép không gỉ.

Thanh piston thường sử dụng thép cứng được mạ crom cứng. Dịch vụ mài mòn hoặc ăn mòn nghiêm trọng có thể yêu cầu làm cứng cảm ứng, thấm cacbon, vật liệu thanh không gỉ hoặc lớp phủ chống mài mòn-HVOF-áp dụng{2}}như WC-CoCr. Sơn, sơn tĩnh điện, xử lý trước phốt phát và các hệ thống bảo vệ khác cũng được sử dụng trên các bộ phận bên ngoài.

Vật liệu bịt kín cũng quan trọng không kém:

| Vật liệu bịt kín|Sức mạnh tiêu biểu |
| --- | --- |
| NBR|Dịch vụ thủy lực dầu khoáng tổng hợp |
| HNBR|Cải thiện khả năng chống nhiệt độ, mài mòn và lão hóa |
| Polyurethane (PU)|Khả năng chống mài mòn và đùn mạnh |
| PTFE|Ma sát thấp và khả năng tương thích hóa học rộng |
| FKM|Các ứng dụng chịu được-nhiệt độ cao và hóa chất- |

Giới hạn nhiệt độ và khả năng tương thích của chất lỏng phụ thuộc vào hợp chất, không chỉ họ polymer. Ví dụ, hướng dẫn về niêm phong của Parker cho thấy NBR, HNBR, FKM, TPU và các vật liệu khác có thể được chọn khác nhau tùy theo loại chất lỏng và liệu phốt là tĩnh hay động.

Bảo vệ chống ăn mòn cần được chú ý đặc biệt trong dịch vụ ven biển, máy móc hàng hải và thiết bị dọn tuyết{0}}tiếp xúc với muối đường.

ASTM B117-26 là thông lệ hiện hành của Hoa Kỳ để thử nghiệm phun muối có kiểm soát-đối với kim loại và kim loại được phủ. ASTM cảnh báo không nên coi kết quả phun muối-là dự đoán trực tiếp về tuổi thọ sử dụng trong thế giới thực.

Các tiêu chuẩn liên quan cũng có thể bao gồm ISO 6020-2 đối với một số xi lanh theo hệ mét 160 bar và ISO 6022 đối với các xi lanh có dãy 250 bar. ISO 6022:2006 vẫn còn hiệu lực tại thời điểm viết bài, trong khi phiên bản thay thế đang được phát triển. Thông số kỹ thuật mua sắm phải xác nhận bản sửa đổi hiện tại khi đặt hàng.

Các chế độ ứng dụng, bảo trì và lỗi

Các môi trường khác nhau có xu hướng ưu tiên các thiết kế khác nhau:

- Thiết bị xây dựng thường sử dụng xi lanh tác động kép, được hàn nhỏ gọn- được chế tạo để chịu được tải va đập.
- Thiết bị nông nghiệp thường sử dụng các xi lanh hàn có hình chữ U, ống-chữ thập hoặc giá đỡ chốt vì cơ cấu di chuyển theo các góc thay đổi.
- Xe ben và xe moóc sử dụng xi lanh dạng ống lồng để có hành trình nâng dài trong không gian lắp đặt hạn chế.
- Máy ép công nghiệp và thiết bị nhà máy thường sử dụng xi lanh kiểu thanh giằng hoặc-máy nghiền hạng nặng-trong đó khả năng lặp lại và khả năng sử dụng rất quan trọng.
- Thiết bị hàng hải và cảng cần được bảo vệ chống ăn mòn bổ sung cũng như lựa chọn cẩn thận các thanh và vòng đệm.

Các hư hỏng thường gặp bao gồm -rò rỉ vòng đệm thanh bên ngoài, rò rỉ vòng đệm-pít-tông bên trong, ghi dấu hoặc ăn mòn thanh, thanh bị cong, vòng bi cần bị mòn, hư hỏng thùng, vết nứt do mỏi xung quanh mối hàn hoặc giá đỡ, quá nhiệt, sục khí hoặc tạo bọt và ô nhiễm-hư hỏng liên quan đến vòng đệm và bề mặt.

Nếu xi lanh bị trôi khi có tải, hãy xác định xem dầu có đi qua vòng đệm piston hay rò rỉ qua van định hướng hoặc van điều khiển hay không.

Khi xuất hiện rò rỉ bên ngoài, hãy kiểm tra thanh trước khi thay thế con dấu. Một con dấu mới chạy trên bề mặt bị trầy xước hoặc bị ăn mòn có thể nhanh chóng bị hỏng.

Việc xây dựng lại có thể tiết kiệm khi các vòng đệm và các bộ phận bị mòn bị hư hỏng nhưng thùng, thanh và các bộ phận kết cấu vẫn nằm trong giới hạn cho phép. Việc thay thế thường hấp dẫn hơn khi thanh bị cong nặng, thùng có vết lõm sâu, các mối hàn kết cấu bị nứt, ăn mòn nghiêm trọng, không có phụ tùng hoặc chi phí sửa chữa gần bằng giá của một xi lanh mới.

Người mua ở Hoa Kỳ nên đưa những gì vào RFQ

Một yêu cầu báo giá hữu ích nên bao gồm:

- Loại xi lanh
- Đường kính lỗ khoan và thanh
- Đột quỵ
- Độ dài rút lại và kéo dài
- Áp suất làm việc và đỉnh điểm
- Lực đẩy và lực kéo cần thiết
- Tốc độ hoạt động
- Kiểu lắp và kết nối đầu thanh-
- Loại, kích thước và vị trí cổng
- Chất lỏng thủy lực và nhiệt độ vận hành
- Chu kỳ hoạt động
- Tiếp xúc ngoài trời hoặc ăn mòn
- Số lượng
- Bản vẽ hoặc số bộ phận hình trụ hiện có
- Yêu cầu kiểm tra và chứng nhận

Xi lanh thay thế tiêu chuẩn có thể có giá hàng trăm đô la. Các bộ phận được hàn chuyên dụng, ống lồng, không gỉ, lỗ-lớn, cảm biến-được trang bị và-thiết kế tùy chỉnh có thể nhanh chóng tiêu tốn hàng nghìn đô la.

Thời gian thực hiện cũng khác nhau. Các sản phẩm có sẵn có thể được vận chuyển nhanh chóng, trong khi các ống trụ tùy chỉnh thường mất vài tuần. Ví dụ hiện tại của nhà sản xuất cho thấy khoảng 3 đến 8 tuần đối với nhiều dự án tùy chỉnh, với lịch trình dài hơn đối với các hệ thống lớn hoặc phức tạp bất thường.

Khi tìm nguồn cung ứng xi lanh tùy chỉnh ở nước ngoài, hãy so sánh phê duyệt nguyên mẫu, kiểm tra áp suất, tài liệu, đóng gói, vận chuyển bằng đường biển hoặc đường hàng không, bộ đệm kín dự phòng, hỗ trợ bảo hành và-khả năng sẵn có của bộ phận thay thế cũng như đơn giá.

Chuẩn bị lựa chọn xi lanh

Bắt đầu với ứng dụng đầy đủ thay vì chỉ kích thước lỗ khoan. Lực, hành trình, hình học lắp đặt, áp suất, dòng chảy, môi trường, chu kỳ làm việc, độ ổn định của thanh, vật liệu bịt kín và không gian sẵn có đều ảnh hưởng đến thiết kế cuối cùng.

Chuẩn bị lỗ khoan, đường kính thanh, hành trình, kích thước lắp đặt, áp suất vận hành, chi tiết ứng dụng và bản vẽ hiện có trước khi yêu cầu xem xét kỹ thuật hoặc báo giá.

Các nguồn hỗ trợ hữu ích có thể bao gồm:

- Máy tính lực xi lanh thủy lực
- Mẫu Excel định cỡ hình trụ-
- Bản PDF đặc tả xi lanh thủy lực
- Danh sách kiểm tra cài đặt và bảo trì
- Biểu mẫu RFQ hình trụ-tùy chỉnh

Các công ty cung cấp thời gian phản hồi được đảm bảo, hỗ trợ qua điện thoại ở Hoa Kỳ, nguyên mẫu nhanh hoặc ống đựng mẫu nên nêu rõ những cam kết cụ thể đó bên cạnh nút RFQ thay vì dựa vào các tuyên bố chung chung.

Câu hỏi thường gặp

Sự khác biệt giữa xi lanh tác động-đơn và xi lanh tác động kép- là gì?

Xy lanh tác động đơn-sử dụng áp suất thủy lực theo một hướng và dựa vào trọng lực, lò xo hoặc tải trọng bên ngoài để quay trở lại. Xi lanh tác động kép-sử dụng áp suất để kéo dài và rút lại, khiến chúng phù hợp hơn với chuyển động hai chiều có kiểm soát.

Làm thế nào để xi lanh kính thiên văn so sánh với xi lanh tiêu chuẩn?

Xi lanh dạng ống lồng cung cấp hành trình dài hơn nhiều so với chiều dài rút lại của chúng. Chúng phù hợp với việc lắp đặt với không gian hạn chế nhưng yêu cầu di chuyển dài, mặc dù cấu trúc nhiều tầng của chúng khiến cho việc thiết kế và bảo trì trở nên phức tạp hơn.

Khi nào một xi lanh không cần trục là sự lựa chọn tốt hơn?

Xi lanh không cần trục hoạt động tốt khi cần di chuyển tuyến tính dài nhưng không có đủ không gian cho cần piston kéo dài. Tải trọng chuyển động thường phải có hướng dẫn từ bên ngoài vì mô men và tải trọng bên quá mức sẽ rút ngắn tuổi thọ của xi lanh.

Làm cách nào để tính toán lỗ khoan, kích thước thanh và áp suất?

Sử dụng **F=P × A** để tìm diện tích piston cần thiết cho lực mục tiêu. Sau đó chọn lỗ khoan, đường kính thanh, áp suất hệ thống và hệ số an toàn đồng thời kiểm tra lực rút, độ vênh của thanh, yêu cầu về dòng chảy và tổn thất áp suất.

Cấu hình lắp đặt nào giảm thiểu tải bên?

Không có giá đỡ nào là tốt nhất cho mọi máy. Các giá đỡ vòng bi khoan, trục quay, mắt chốt và vòng bi{2}}hình cầu phù hợp với các cơ chế xoay. Giá đỡ mặt bích và chân đế hoạt động tốt khi tải được căn chỉnh chính xác với trục xi lanh.

Những con dấu và lớp phủ nào phù hợp với môi trường muối ven biển hoặc đường{0}}?

Môi trường ăn mòn có thể yêu cầu các bộ phận không gỉ, thanh cải tiến và lớp phủ bên ngoài cũng như các vòng đệm phù hợp với cả chất lỏng và nhiệt độ vận hành. Thử nghiệm phun muối-có thể so sánh các hệ thống phủ nhưng không dự đoán trực tiếp tuổi thọ sử dụng ngoài trời.

Tôi nên kiểm tra những gì trước khi thay thế một xi lanh?

Kiểm tra rò rỉ bên ngoài, ghi điểm thanh, ăn mòn, lệch trục, uốn cong, rò rỉ bên trong, rò rỉ van, nhiễm bẩn, mài mòn lắp đặt, tăng áp suất và nhiệt độ bất thường. Nhiều lỗi liên quan đến phốt-có thể sửa chữa được, trong khi hư hỏng về cấu trúc hoặc hư hỏng bề mặt nghiêm trọng thì có thể cần phải thay thế.