Chọn xi lanh khí nén theo cảm tính thường dẫn tới hai lỗi: xi lanh quá nhỏ không đủ lực, chạy giật cục, hoặc quá to gây tốn khí và chậm. Bài viết hướng dẫn cách chọn xi lanh khí nén theo trình tự: tính lực, chọn đường kính, chọn hành trình, chọn kiểu xi lanh, kèm bảng lực theo đường kính và cách ước tính lượng khí tiêu thụ.
Các thông số cần biết trước khi chọn
- Lực cần thiết (N hoặc kg): khối lượng cần nâng, lực ép, lực kẹp…
- Áp suất khí nén thực tế tại xi lanh (thường 4–6 bar sau bộ lọc điều áp), không phải áp suất đầu máy nén.
- Hành trình (mm): quãng đường cần di chuyển.
- Tốc độ, tần suất hoạt động (lần/phút) và kiểu tải: tải tĩnh (kẹp, ép giữ) hay tải động (đẩy, nâng vật chuyển động).
- Không gian lắp và kiểu gá: chân đế, mặt bích, khớp xoay.
Công thức tính lực xi lanh khí nén
Lực lý thuyết bằng áp suất nhân diện tích piston:
- Lực đẩy ra: F = P × π × D² / 4
- Lực kéo về: F = P × π × (D² − d²) / 4 (vì phía cần piston mất phần diện tích của cần)
Trong đó P là áp suất (MPa), D là đường kính piston (mm), d là đường kính cần piston (mm); F tính ra newton (N). Đổi nhanh: 1 bar = 0,1 MPa; 10 N ≈ 1 kgf.
Ví dụ: xi lanh Ø50, cần Ø20, áp suất 6 bar (0,6 MPa):
- Lực đẩy = 0,6 × 3,1416 × 50² / 4 ≈ 1.178 N (khoảng 120 kgf).
- Lực kéo = 0,6 × 3,1416 × (50² − 20²) / 4 ≈ 990 N (khoảng 101 kgf).
Bảng lực xi lanh khí nén theo đường kính ở 6 bar
Lực lý thuyết, chưa trừ ma sát và hệ số tải. Đường kính cần lấy theo cỡ phổ biến (ISO 6432 cho Ø16–25, ISO 15552 cho Ø32 trở lên); mỗi hãng có thể khác.
| Đường kính piston (mm) | Đường kính cần (mm) | Lực đẩy (N) | Lực đẩy (≈ kgf) | Lực kéo (N) |
|---|---|---|---|---|
| 16 | 6 | 121 | 12 | 104 |
| 20 | 8 | 188 | 19 | 158 |
| 25 | 10 | 295 | 30 | 247 |
| 32 | 12 | 483 | 49 | 415 |
| 40 | 16 | 754 | 77 | 633 |
| 50 | 20 | 1.178 | 120 | 990 |
| 63 | 20 | 1.870 | 191 | 1.682 |
| 80 | 25 | 3.016 | 307 | 2.721 |
| 100 | 25 | 4.712 | 480 | 4.418 |
Ở áp suất khác, lực tỷ lệ thuận: ví dụ ở 5 bar, lấy số trong bảng nhân 5/6.
Hệ số tải: vì sao không chọn sát lực tính toán
Lực thực tế nhỏ hơn lực lý thuyết do ma sát gioăng, sụt áp khi xi lanh chạy và cần dư lực để tăng tốc. Vì vậy chia lực cần thiết cho hệ số tải:
- Tải tĩnh, chạy chậm (kẹp, ép giữ): hệ số khoảng 0,7.
- Tải động, chạy nhanh hoặc nâng vật theo phương đứng: hệ số khoảng 0,5 hoặc thấp hơn.
Ví dụ chọn: cần đẩy ngang một vật với lực 500 N, áp suất tại xi lanh 5 bar, tải động (hệ số 0,5).
- Lực lý thuyết cần có: 500 / 0,5 = 1.000 N.
- Diện tích piston cần: 1.000 / 0,5 MPa = 2.000 mm², tương ứng D ≈ 50,5 mm.
- Ø50 chỉ cho khoảng 982 N ở 5 bar, chưa đủ, nên chọn cỡ chuẩn kế tiếp là Ø63 (khoảng 1.559 N ở 5 bar).
Nếu tải làm việc ở chiều kéo về, phải dùng công thức lực kéo (trừ diện tích cần) thay vì lực đẩy.
Chọn hành trình
- Chọn hành trình bằng quãng đường cần di chuyển cộng một khoảng dư nhỏ; không nên để piston đập vào nắp cuối mỗi chu kỳ khi tải nặng, tốc độ cao.
- Xi lanh hành trình dài, cần nhỏ, chịu tải đẩy dễ bị cong cần. Khi hành trình dài gấp nhiều lần đường kính, nên tăng cỡ xi lanh, dùng cần to hơn hoặc thêm dẫn hướng.
- Không để cần piston chịu tải ngang; tải lệch tâm cần có ray dẫn hướng hoặc dùng xi lanh có dẫn hướng.
Chọn kiểu xi lanh
| Kiểu | Đặc điểm | Dùng khi |
|---|---|---|
| Xi lanh tròn (mini) | Thân tròn, nhỏ gọn, Ø thường 8–25 | Lực nhỏ, máy đóng gói, đồ gá |
| Xi lanh tiêu chuẩn | Thân vuông hoặc 4 thanh giằng, Ø32 trở lên, phụ kiện gá đầy đủ | Đa số ứng dụng công nghiệp |
| Xi lanh compact | Thân ngắn, hành trình ngắn | Chỗ lắp hẹp, ép, kẹp |
| Xi lanh 2 đầu | Cần piston ra hai đầu, lực hai chiều bằng nhau | Cần lực, tốc độ hai chiều như nhau hoặc gá hai phía |
| Xi lanh xoay | Tạo chuyển động quay một góc | Lật, xoay chi tiết |
| Xi lanh kẹp | Hai má kẹp đóng mở | Gắp, kẹp chi tiết trên robot, máy tự động |
Cấu tạo chi tiết từng kiểu xem bài cấu tạo xi lanh khí nén.
Ước tính lượng khí tiêu thụ
Mỗi lần đẩy ra, xi lanh tiêu thụ một thể tích khí bằng diện tích piston nhân hành trình, quy về áp suất khí quyển bằng cách nhân với tỷ số (P + 1,013) / 1,013 (P tính bằng bar).
Ví dụ: xi lanh Ø50, cần Ø20, hành trình 200 mm, 6 bar:
- Đẩy ra: 1.963 mm² × 200 mm ≈ 0,39 lít, nhân 6,92 ≈ 2,7 lít khí tự do.
- Kéo về: 1.649 mm² × 200 mm ≈ 0,33 lít, nhân 6,92 ≈ 2,3 lít.
- Một chu kỳ khoảng 5 lít; chạy 10 chu kỳ mỗi phút cần khoảng 50 lít/phút, chưa tính ống dẫn và rò rỉ.
Cộng lượng khí của tất cả thiết bị để chọn bộ lọc, van và máy nén đủ lưu lượng.
Phụ kiện đi kèm xi lanh
- Van điều khiển: xi lanh tác động kép thường dùng van khí nén 5/2; cấu tạo van xem bài cấu tạo van điện từ khí nén.
- Chỉnh tốc độ: van tiết lưu khí nén, thường lắp kiểu tiết lưu khí ra để xi lanh chạy êm.
- Báo vị trí: cảm biến xi lanh; chỉ dùng được với xi lanh có piston gắn nam châm.
- Giảm chấn cuối hành trình: đệm khí điều chỉnh được trên xi lanh hoặc giảm chấn ngoài.
Các loại van trong mạch khí nén xem bài các loại van khí nén; lưu ý vận hành, bảo dưỡng xem bài lưu ý khi sử dụng xi lanh khí nén.
Câu hỏi thường gặp
Xi lanh khí nén Ø50 đẩy được bao nhiêu kg?
Ở 6 bar, lực đẩy lý thuyết khoảng 1.178 N, tương đương khoảng 120 kgf. Khi làm việc với tải động nên chỉ tính khoảng một nửa, tức khoảng 60 kg.
Vì sao lực kéo về nhỏ hơn lực đẩy ra?
Vì ở chiều kéo về, áp suất tác dụng lên diện tích piston đã trừ phần diện tích của cần piston. Cần càng to, lực kéo càng nhỏ so với lực đẩy.
Xi lanh chạy giật cục là do đâu?
Thường do xi lanh quá nhỏ so với tải, áp suất tại xi lanh thấp vì bộ lọc hoặc ống dẫn nhỏ, chỉnh tiết lưu không phù hợp hoặc thiếu bôi trơn. Nên kiểm tra áp suất ngay tại xi lanh khi đang chạy.
Có nên tăng áp suất thay vì đổi xi lanh lớn hơn?
Chỉ trong giới hạn áp suất làm việc của xi lanh và các thiết bị khác trong mạch. Tăng áp làm tốn khí, mòn gioăng nhanh hơn; nếu thiếu lực đáng kể thì nên chọn cỡ xi lanh lớn hơn.
Cần tư vấn chọn xi lanh khí nén?
Gửi cho Van Nước Việt Nam (Viva) lực cần thiết, hành trình, áp suất khí và kiểu gá để được tư vấn xi lanh khí nén và van, phụ kiện đi kèm. Gọi hoặc nhắn Zalo 0969 916 835, hoặc gửi yêu cầu qua trang liên hệ. Tổng quan về khí nén có trong bài khí nén là gì.
