Xi lanh thủy lực được thiết kế chủ yếu để tạo ra lực dọc theo trục tâm của nó. Khi xi lanh, tải trọng hoặc cơ cấu liên kết của máy bị lệch trục, một phần của lực đó sẽ tác động theo hướng ngang lên thanh piston, ổ trục thanh piston, các vòng đệm, piston và thân xi lanh, thay vì chỉ tác động theo hướng trục thuần túy. Tải trọng tác động từ bên hông có thể gây ra ma sát quá mức, mài mòn không đồng đều ở ổ trục và vòng đệm, trầy xước thanh piston hoặc thân xi lanh, rò rỉ, chuyển động giật cục và cuối cùng là hư hỏng cơ học. Cách phòng ngừa hiệu quả nhất là duy trì sự thẳng hàng giữa xi lanh và tải trọng, lựa chọn phương án lắp đặt phù hợp, đồng thời sử dụng kết cấu máy hoặc các thanh dẫn hướng bên ngoài để chịu lực ngang thay vì dựa vào chính xi lanh.
“Tải bên” trong xi lanh thủy lực là gì?
Tải ngang xảy ra khi một lực tác động ngang qua thanh piston thay vì dọc theo trục dọc của xi lanh. Trong một xi lanh được lắp đặt đúng cách, thanh piston chủ yếu đẩy hoặc kéo theo một đường thẳng. Nếu tải trọng bị lệch, các điểm gắn không thẳng hàng hoặc cơ cấu được truyền động chuyển động trên một mặt phẳng khác, thanh piston sẽ bị ép vào một bên của vòng đệm và piston sẽ bị ép vào phía đối diện của thân xi lanh.
Điều này khác với hiện tượng uốn cong thanh piston. Hiện tượng uốn cong chủ yếu là một vấn đề về độ ổn định do lực nén dọc trục tác động lên một thanh dài và mảnh, trong khi tải trọng ngang tạo ra lực ngang và mô-men uốn. Tuy nhiên, trong các máy móc thực tế, hiện tượng lệch trục và nén có thể xảy ra đồng thời, khiến mức độ hư hỏng gây ra trở nên nghiêm trọng hơn.
Sự sai lệch vị trí giữa xi lanh thủy lực và tải trọng của nó có thể gây ra lực tác động ngang lên thanh piston và ổ trục thanh piston. Trong hầu hết các ứng dụng, xi lanh chủ yếu phải cung cấp lực đẩy hoặc kéo tuyến tính, trong khi kết cấu máy, đường ray, ổ trục hoặc cơ cấu liên kết sẽ dẫn hướng tải trọng bên ngoài.
Điều gì gây ra hiện tượng tải ngang trên xi lanh thủy lực?
Việc lắp đặt không đúng cách là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất. Một xi lanh được lắp cố định có thể được bắt vít chắc chắn vào máy, nhưng nếu mặt lắp không thẳng hàng với hướng di chuyển, thanh đẩy sẽ bị ép sang một bên ngay khi bắt đầu chuyển động. Xi lanh lắp kiểu trục xoay cũng có thể gặp vấn đề tương tự khi các chốt ở đế và đầu thanh không song song hoặc khi cơ cấu liên kết di chuyển ra ngoài mặt phẳng dự định.
Sự mài mòn trong máy có thể gây ra tải trọng bên ngay cả khi thiết kế ban đầu là chính xác. Các chốt, ống lót, khớp nối, ổ bi hình cầu, giá đỡ hoặc mối nối kết cấu bị mòn có thể khiến đường truyền tải trọng bị dịch chuyển theo thời gian. Khung máy linh hoạt cũng có thể bị uốn cong khi chịu tải đầy đủ, dẫn đến vấn đề sai lệch trục mà không dễ nhận thấy khi thiết bị không chịu tải.
Một nguyên nhân phổ biến khác là tải trọng bên ngoài không được dẫn hướng đúng cách. Thông thường, xi lanh thủy lực sẽ cung cấp lực đẩy hoặc lực kéo, trong khi các thanh ray, thanh trượt, ổ trục, con lăn hoặc cơ cấu liên kết của máy sẽ điều khiển quỹ đạo của tải trọng. Nếu thanh piston của xi lanh được yêu cầu phải tự mình dẫn hướng một bệ lớn, cần trục, giá kẹp hoặc xe đẩy, các lực ngang có thể được truyền trực tiếp vào ổ trục thanh piston và piston.
Tải trọng bên gây hư hỏng xi lanh thủy lực như thế nào?
Tải trọng bên trước tiên làm tăng áp lực tiếp xúc giữa thanh piston và ổ trục thanh piston hoặc vòng đệm. Thay vì phân bổ tải trọng đều trên bề mặt ổ trục, một bên sẽ phải chịu tải trọng cao hơn nhiều. Điều này có thể làm tăng tốc độ mài mòn của thanh dẫn hướng, làm tăng ma sát và cuối cùng ảnh hưởng đến phớt kín thanh piston.
Khi hiện tượng mài mòn ngày càng nghiêm trọng, thanh piston có thể không còn giữ được vị trí chính giữa. Khi đó, mép gioăng có thể phải chịu tải không đồng đều, dẫn đến rò rỉ bên ngoài lặp đi lặp lại ngay cả sau khi đã lắp đặt gioăng mới. Hiện tượng mài mòn một bên trên ổ trục thanh piston hoặc gioăng thanh piston là dấu hiệu phổ biến cho thấy xi lanh có thể đang phải chịu tải ngang liên tục hoặc bị lệch trục.
Piston cũng có thể bị ép vào phía đối diện của lòng xi-lanh. Điều này có thể làm hỏng các vòng chống mài mòn, gây trầy xước thành xi-lanh, làm tăng ma sát và khiến dầu thủy lực bị nhiễm các hạt mài mòn. Trong những trường hợp nghiêm trọng hơn, thanh piston có thể bị uốn cong, các chốt lắp có thể bị mài mòn không đều, hoặc các giá đỡ và mối hàn có thể phải chịu tải trọng vượt quá khả năng chịu tải thiết kế.
Do đó, hiện tượng tải lệch có thể ban đầu biểu hiện dưới dạng vấn đề về chuyển động hoặc rò rỉ trước khi trở thành một sự cố cơ khí rõ ràng.
Các dấu hiệu cảnh báo của hiện tượng “side loading” là gì?
Một xi lanh chịu tải trọng bên không phải lúc nào cũng bị hỏng ngay lập tức. Các dấu hiệu hư hỏng có thể xuất hiện dần dần khi độ thẳng hàng, ổ trục, vòng đệm và các bộ phận lắp đặt bị xuống cấp.
| Quan sát | Cơ chế tải ngang có thể xảy ra | Cách kiểm tra | Hành động được khuyến nghị |
|---|---|---|---|
| Phớt trục bị rò rỉ liên tục | Tải trọng không đồng đều lên bộ phận trục hoặc ổ trục thanh | Kiểm tra thanh, ổ trục và độ thẳng hàng | Cần căn chỉnh chính xác trước khi lắp lại các vòng đệm |
| Thanh dẫn hướng hoặc ổ trục bị mòn chủ yếu ở một bên | Lực ngang liên tục | Kiểm tra các đường tâm lắp đặt và đường truyền tải trọng | Điều chỉnh lại vị trí của xi lanh và tải bên ngoài |
| Bề mặt thanh có vết xước ở một bên | Thanh bị ép vào ổ trục | Kiểm tra thanh trong toàn bộ hành trình | Kiểm tra các thanh dẫn, chốt và giá đỡ |
| Xi lanh di chuyển chậm hoặc bị kẹt ở một số vị trí nhất định | Ma sát tăng lên khi hình học thay đổi | So sánh chuyển động trong toàn bộ hành trình | Kiểm tra hệ thống liên kết và hệ thống dẫn hướng tải |
| Chuyển động giật cục hoặc chuyển động giật-trượt | Sự lệch trục gây ra ma sát thay đổi | Kiểm tra vị trí lắp đặt và độ thẳng hàng khi tải | Khắc phục nguyên nhân cơ khí trước khi điều chỉnh hệ thống thủy lực |
| Chốt hoặc ống lót bị mòn không đều | Bộ truyền động không quay tự do | Kiểm tra khe hở của chốt và hình dạng của giá đỡ | Sửa chữa các bộ phận lắp đặt |
Trước khi kiểm tra các bộ phận gắn kết hoặc liên kết, cần tắt máy, xả áp suất thủy lực và dùng các biện pháp hỗ trợ cơ học để giữ cố định bất kỳ tải trọng nào đang treo lơ lửng hoặc đang chuyển động, theo quy trình an toàn của máy.
Loại lắp đặt ảnh hưởng như thế nào đến tải trọng bên?
Phương thức lắp đặt phải phù hợp với cách thức chuyển động của máy.
Các giá đỡ cố định như giá đỡ mặt bích hoặc giá đỡ chân phù hợp khi xi lanh và tải được truyền động luôn được căn chỉnh chính xác dọc theo một đường thẳng. Chúng có khả năng bù đắp cho sự thay đổi về hình học góc rất hạn chế, do đó tải bên ngoài thường cần có hệ thống dẫn hướng tốt.
Các kiểu gắn trục xoay như khớp nối hình chữ U (clevis), ống chéo (cross-tube), chốt (tang), trục trunnion hoặc cấu trúc ổ bi hình cầu cho phép xi lanh xoay khi cơ cấu liên kết của máy chuyển động. Tuy nhiên, kiểu gắn trục xoay không tự động loại bỏ tải trọng bên. Các trục xoay vẫn cần phải phù hợp với hình học của cơ cấu liên kết, và xi lanh phải có khả năng di chuyển qua toàn bộ quỹ đạo hoạt động mà không bị ép sang hai bên.
Vòng bi hình cầu có thể chịu được độ lệch góc ở mức hạn chế, nhưng không nên sử dụng nó để bù đắp cho các sai lệch cơ bản về hình học của máy. Thiết bị hiện tại của quý vị Giải thích các loại lắp đặt xi lanh thủy lực Bài viết này đã trình bày chi tiết hơn về sự khác biệt giữa các phương án lắp đặt cố định và lắp đặt xoay.
Làm thế nào để biết liệu sự lệch trục có phải là nguyên nhân thực sự hay không?
Việc chẩn đoán cần tập trung vào việc liệu xi lanh có tuân theo cùng một đường đi của tải trọng trong suốt hành trình hoạt động của nó hay không.
Kiểm tra xem có hiện tượng mòn không đồng đều trên ổ trục thanh truyền, phớt, thanh dẫn piston, chốt và ống lót hay không. Hiện tượng mòn một phía là một manh mối quan trọng vì tải trọng dọc trục bình thường không nên liên tục đẩy các bộ phận bên trong về cùng một phía.
Cần kiểm tra độ thẳng hàng tại nhiều vị trí khác nhau của xi lanh. Một cơ cấu liên kết có thể trông như đã được căn chỉnh chính xác khi thu vào hoàn toàn, nhưng lại bị lệch khỏi mặt phẳng khi đi được nửa hành trình hoặc gần đến vị trí mở rộng hoàn toàn. Cần kiểm tra độ thẳng hàng giữa xi lanh và tải tại nhiều vị trí khác nhau trong suốt hành trình, đặc biệt là gần vị trí mở rộng hoàn toàn và thu vào hoàn toàn. Một cơ cấu liên kết có thể trông như đã được căn chỉnh đúng ở một vị trí nhưng lại bị lệch khỏi mặt phẳng khi cơ cấu di chuyển, dẫn đến tăng mức mài mòn ở phớt, ổ trục thanh, pít-tông hoặc lòng xi-lanh.
Nếu xi lanh di chuyển trơn tru khi không có tải nhưng bắt đầu bị kẹt, di chuyển chậm lại hoặc di chuyển không ổn định khi chịu tải thực tế của máy, thì cũng cần kiểm tra xem có hiện tượng biến dạng khung máy hay hệ thống dẫn hướng bên ngoài không đảm bảo hay không.
Cách phòng ngừa tải trọng bên tác động lên xi lanh thủy lực
Ưu tiên hàng đầu trong thiết kế là giữ cho đường truyền tải lực gần trục chính của xi lanh nhất có thể. Các điểm lắp đặt xi lanh, điểm kết nối đầu thanh và cơ cấu truyền động phải phối hợp nhịp nhàng với nhau để bộ truyền động chủ yếu chịu các lực đẩy và kéo dọc trục.
Tải trọng bên ngoài cũng cần có hệ thống dẫn hướng riêng khi cần thiết. Các bộ phận như toa xe dài, bệ đỡ, khuôn, cần cẩu hoặc kết cấu nâng có thể cần đến đường ray, ổ trục, con lăn, ống lót hoặc các bộ phận hỗ trợ liên kết để kiểm soát chuyển động ngang. Xi lanh thủy lực nên đảm nhận chức năng tạo chuyển động và lực, chứ không phải thay thế hệ thống dẫn hướng cơ khí.
Phương thức lắp đặt phải phù hợp với cấu trúc hình học của máy. Một cơ cấu chuyển động theo hình cung thường cần có các khớp xoay phù hợp, trong khi xi lanh được lắp cố định lại yêu cầu tải trọng chuyển động thẳng được dẫn hướng cứng cáp và chính xác. Ngoài ra, cần bảo dưỡng các chốt và ống lót vì khe hở quá lớn có thể làm thay đổi dần đường đi của tải trọng.
Không được bỏ qua hiện tượng biến dạng của máy khi chịu tải. Một khung máy dù đã được căn chỉnh đúng trong quá trình lắp ráp cũng có thể bị biến dạng khi xi lanh phát huy lực tối đa. Do đó, việc kiểm tra hình học làm việc thực tế sẽ hữu ích hơn so với việc chỉ kiểm tra độ căn chỉnh khi máy không chịu tải.
Cuối cùng, việc chỉ đơn thuần tăng đường kính thanh piston không phải là giải pháp triệt để. Thanh piston có đường kính lớn hơn có thể cải thiện độ cứng uốn, nhưng không loại bỏ được lực ngang đã gây ra vấn đề. Giải pháp triệt để là việc căn chỉnh chính xác, lắp đặt phù hợp và hướng dẫn tải trọng bên ngoài đúng cách.
Kết luận
Tải trọng bên trên xi lanh thủy lực xảy ra khi tải trọng không được truyền dọc theo trục tâm của bộ truyền động. Lực ngang sinh ra sẽ đẩy thanh piston, ổ trục, vòng đệm, piston và thân xi lanh sang một bên, làm tăng ma sát và gây ra hiện tượng mài mòn không đều.
Biện pháp phòng ngừa hiệu quả nhất không chỉ đơn thuần là một thanh gia cố chắc chắn hơn hay một miếng đệm mới. Xi lanh và tải trọng bên ngoài phải luôn được căn chỉnh chính xác trong suốt toàn bộ hành trình; bố trí lắp đặt phải phù hợp với chuyển động của máy; và các tải trọng ngang nên được chịu bởi các bộ dẫn hướng hoặc các bộ phận kết cấu thích hợp.
Khi xảy ra các hiện tượng như rò rỉ phớt định kỳ, mòn một phía, trầy xước thanh piston, chuyển động chậm hoặc hiện tượng dính-trượt kèm theo các vấn đề về độ thẳng hàng, cần tiến hành kiểm tra hình học của máy trước khi tiến hành sửa chữa xi lanh nhiều lần.
Câu hỏi thường gặp
Câu hỏi: Việc nạp từ bên hông có thể gây rò rỉ cho xi lanh thủy lực không?
A: Đúng vậy. Lực tác động từ bên hông có thể ép thanh piston vào một bên của ổ trục thanh piston, dẫn đến hiện tượng mòn không đều ở ổ trục và phớt. Việc thay thế phớt thanh piston mà không khắc phục vấn đề sai lệch trục có thể khiến phớt mới lại bị hỏng.
Câu hỏi: Vòng bi hình cầu có thể loại bỏ tải trọng bên tác động lên xi lanh thủy lực không?
A: Không. Vòng bi hình cầu có thể chịu được chuyển động góc trong phạm vi hạn chế và giúp xi lanh di chuyển theo cơ cấu liên kết, nhưng nó không thể khắc phục các sai lệch về hình học của máy, độ lệch ngang lớn hoặc tải trọng bên ngoài không được dẫn hướng đúng cách.
Câu hỏi: Thanh piston dày hơn có thể giải quyết được vấn đề tải trọng bên không?
A: Thanh có đường kính lớn hơn có độ cứng uốn cao hơn và có thể chịu được một phần tải trọng cơ học bổ sung, nhưng điều này không loại bỏ được nguyên nhân gây ra tải trọng bên. Trước tiên, cần giải quyết các vấn đề về sự căn chỉnh chính xác, hình học lắp đặt và hướng dẫn tải trọng bên ngoài.
Câu hỏi: Hiện tượng tải bên có giống với hiện tượng uốn cong thanh piston không?
A: Không. Tải trọng ngang là do lực ngang hoặc sai lệch trục gây ra, trong khi hiện tượng uốn cong chủ yếu do lực nén dọc trục tác động lên một thanh mảnh. Một xi lanh hành trình dài có thể gặp phải cả hai vấn đề này cùng lúc nếu nó phải chịu tải trọng lớn và bị sai lệch trục nghiêm trọng.
Câu hỏi: Tại sao xi lanh nạp bên đôi khi lại di chuyển chậm hoặc giật cục?
A: Việc nạp từ bên hông làm tăng ma sát giữa thanh truyền, ổ trục, vòng đệm, piston và thân xi-lanh. Do ma sát này có thể thay đổi khi cơ cấu liên kết chuyển động, nên xi-lanh có thể bị giảm tốc, kẹt hoặc xuất hiện hiện tượng chuyển động giật cục hoặc trượt-dính ở một số vị trí nhất định.
