Thép là vật liệu phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp, từ xây dựng đến cơ khí. Nó tương đối rẻ và dễ làm việc, khiến nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho nhiều dự án.
Về cơ bản chúng ta không thể sử dụng kim loại để làm kín kim loại. Mà Xilanh nói riêng cũng như các hệ thông công nghiệp nặng nói chung, Các chi tiết nguyên vật liệu chế tạo máy móc đều bắt nguồn từ kim loại.
Mọi thứ bắt đầu từ việc làm kín.
Vậy để làm kín giữa các kim loại, chúng ta sẽ sử dụng một sản phẩm gọi làphốt làm kín hay thường gọi là Seal làm kín. Và chúng ta đang tìm hiểu về thủy lực nên có thể gọi chung làphớt thủy lực.
Phớt thủy lực là một vòng tương đối mềm, phi kim loại , được bắt vào rãnh hoặc cố định trong tổ hợp các vòng, tạo thành một cụm phớt, để chặn hoặc tách chất lỏng trong các ứng dụng chuyển động tịnh tiến. Phớt thủy lực rất quan trọng trong máy móc . Việc sử dụng chúng là điều không thể thiếu trong việc chuyển đổi năng lượng chất lỏng sang chuyển động tịnh tiến.
Chúng ta sẽ tìm hiểu sơ bộ về phốt làm kín xilanh.
Vật liệu
Phớt thủy lựccó thể được làm từ nhiều loại vật liệu như polyurethane , cao su hoặc PTFE [1] Loại vật liệu được xác định bởi các điều kiện vận hành hoặc giới hạn cụ thể do loại chất lỏng, áp suất , khả năng tương thích hóa học của chất lỏng hoặc nhiệt độ .
Acrylonitril-Butadien (NBR)
Cao su nitrile (NBR) có lẽ là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho các ứng dụng làm kín thủy lực. Một chất đồng trùng hợp của butadiene và acrylonitrile, NBR tương đối rẻ tiền và thể hiện khả năng chống chịu tuyệt vời đối với chất lỏng thủy lực gốc dầu mỏ. NBR không có khả năng chống lại thời tiết và ozon.
Phạm vi nhiệt độ: -57°C đến 100°C (-70°F đến 212°F). NBR có thể được sử dụng ở nhiệt độ lên tới 121°C (250°F) nhưng tuổi thọ sẽ bị rút ngắn.
Chất lỏng tương thích: Hydrocacbon gốc dầu mỏ bao gồm propan, butan, dầu mỏ, dầu khoáng và mỡ, nhiên liệu diesel, dầu nhiên liệu; dầu mỡ thực vật và khoáng chất; Dầu thủy lực HFA, HFB và HFC; dung dịch axit, kiềm và muối loãng ở nhiệt độ thấp; nước và chất lỏng glycol-nước.
Chất lỏng không tương thích: Hydrocacbon thơm hoặc clo hóa cao như benzen và trichloroetylen; xeton, axeton, axit axetic, etylen-este và các dung môi phân cực khác; axit mạnh; và dầu phanh dựa trên glycol.
Cao su Fluorocarbon (FPM/FKM)
Dưới tên thương mại VITON® của DuPont, cao su fluorocarbon có lẽ là vật liệu phổ biến thứ hai được sử dụng trong phốt làm kín. Là hợp chất của vinylidene Fluoride và hexafluoride propylene, Viton có khả năng chịu nhiệt độ cao hơn nhiều so với NBR và tương thích với hầu hết các chất lỏng. Viton có khả năng chống lại thời tiết và ozon.
Phạm vi nhiệt độ: -46°C đến 204°C (-50°F đến 400°F). FPM / FKM được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn nhưng tuổi thọ sẽ bị rút ngắn.
Chất lỏng tương thích: Hydrocacbon gốc dầu mỏ, hydrocacbon clo hóa, chất lỏng thủy lực tổng hợp, nhiên liệu, bao gồm nhiên liệu xăng/cồn, chất thơm; nhiều dung môi hữu cơ và hóa chất
Chất lỏng không tương thích: Dầu phanh gốc Glycol; kiềm, amin, amoniac, axit formic và axetic; và, hơi quá nhiệt.
Đối với vị trí tĩnh
Phớt thủy lực tĩnh nằm trong rãnh thiết kế và không có sự chuyển động - chỉ bịt kín trong không gian hạn chế của nó, hoạt động như một miếng đệm . Để đạt được sự làm kín, miếng đệm phải chịu áp lực. Áp lực được áp dụng bằng cách thiết kế rãnh có kích thước nhỏ hơn so với kích thước thực của phớt. Các loại phớt đặc trưng của dòng này là O-ring
Đối với vị trí tịnh tiến
Một loại phốt thủy lực động được gọi là phốt que được tiếp xúc với chuyển động trên đường kính trong của nó dọc theo trục hoặc thanh của xi lanh thủy lực. Phớt Piston thủy lực ngăn không cho chất lỏng đi qua khu vực của đầu piston. Phớt cổ xilanh đảm bảo rằng chất lỏng không bị rò rỉ từ xi lanh và duy trì áp suất. Phớt gạt nước được lắp đặt để ngăn ô nhiễm xâm nhập vào hệ thống thủy lực.
1.Phớt chắn bụi.
Hình 1 Các loại phốt chắn bụi thông dụng
Đối với phốt chắn bụi chúng ta sẽ chia chúng thành 2 dạng đóng và nhét
1.1 Seal đóng: Phớt gạt nước thủy lực tác động đơn có vỏ kim loại. Đây là cần gạt nước tác động đơn. Bởi vì nó được ép vào thanh, bụi bẩn được quét sạch khỏi bề mặt nhờ tác động của thanh khi nó rút lại. Trên đường kính ngoài, được lồng 1 vòng kim loại.
Những phốt gạt nước thủy lực này được làm từ vật liệu nitrile cứng được liên kết hóa học với lớp vỏ thép carbon chống ăn mòn. Phốt dạng đóng không cần các chi tiết giữ vì bản thân nó đã có cơ chế tự giữ.
1.2 Seal nhét: Đây là phớt gạt nước có tác động cả đơn lẫn kép (loại 1 môi và 2 môi).
Là phớt gạt nước tác động một lần giúp ngăn các hạt lạ xâm nhập vào hệ thống thủy lực, ngăn ngừa mài mòn và hư hỏng cho tất cả các bộ phận bên trong, bao gồm cả phớt chặn. Có cấu tạo từ các vật liệu NBR, PU vàFKM.
- Phớt 1 môi gạt nước thủy lực tác động đơn mang lại hiệu quả làm sạch rất tốt và có rãnh lắp ráp đơn giản, dễ dàng. Phớt gạt nước thủy lực này được lắp chắc chắn vào rãnh và được cung cấp với nhiều kích thước khác nhau. Nó đảm bảo không bị xoắn trong vỏ, lắp đặt dễ dàng và được thiết kế đặc biệt để ngăn chặn các hạt lớn đi vào hệ thống.
Hình 2: Kiểu thiết kế rãnh cho 2 loại chắn bụi
ỨNG DỤNG: máy móc xây dựng, xe nâng, máy ép phun, máy móc nông nghiệp và xi lanh tiêu chuẩn.
- Phớt 2 môi được thiết kế tác động kép mang lại khả năng chống nhiễm bẩn tối ưu đồng thời tối đa hóa hiệu suất kết hợp với phớt làm kín. Để ngăn áp suất tích tụ giữa cần gạt và phốt cổ, mép gạt bên trong được khắc khía. Cần gạt nước được thiết kế để giữ cho xi lanh thủy lực an toàn trong những tình huống khắc nghiệt nhất.
Hình 3: Rãnh thiết kế và kiểu seal 2 môi.
Thường thì loại phốt nhét được cấu tạo bằng vật liêu.: PU, NBR , FKM
2. Phớt làm kín cổ xylanh.
Vị trí lắp đặt: Ở phần tiếp xúc giữa thanh rod vàcổ xilanh nên hay được gọi là phốt cổ xylanh (Xem hình 4)
Phốt cổđôi khi cũng được gọi là phốt chặn. Để hiểu một phốtcổ, điều quan trọng là bạn phải hiểu chức năng chính của nó. Ngăn chặn sự rò rỉ của chất lỏng có áp suất khỏi hệ thống là chức năng chính của phớt chặn. Nó không cho phép chất lỏng hoặc khí bên trong thoát ra môi trường xung quanh bằng cách tạo thành một con dấu. Đây là lý do tại sao nó được coi là phốt quan trọng nhất trong một hệ thống xilanh. Những con dấu này đóng một vai trò quan trọng khi nói đến hiệu suất của một xi lanh thủy lực.
Hình 4: Vị trí lắp đặt phốt cổ
Làm thế nào để chọn loại phốt cổ phù hợp?
- Tác động môi trường: Nhiệt độ làm việc, chất xúc tác… (Nhằm xác định vật liệu cấu tạo phớt)
- Áp xuất làm việc.
- Tổn thất ma sát cho phép.
2.1 Phốt dạng U-cup
Đây là dạng phốt cổ phổ biến nhất trên thị trường hiện nay bởi tính năng ưu việt, được thiết kế dạng chữ U hay V (Xem hình 5): Khi có lực tác đông của áp xuất thủy lực sẽ làm cho 2 vành môi của phốt có xu hướng mở rộng làm tăng độ kín giữa phốt và phần thân.
Dạng này sẽ được cấu tạo bời vật liệu:
- PU
- Cao su tổng hợp: NBR, Viton, Silicon…
Hình 5: U-Cup seal
2.2 Phốt dạng Buffer Phốt cổ dạng này được cấu tạo bởi 2 phần gồm 1 vòng Oring vật liệu Cao su tổng hợp và 1 vòng buffer
Được tổng hợp từ PTFE pha thêm đồng hoặc các chất cần thiết.
Với cấu tạo như hình 6, dạng seal này được sử dụng như một phốt thứ cấp đi cùng phốt dạng U hay gọi là phốt đệm. Phớt đệm được dùng trong các ứng dụng được thiết kế để hấp thụ dao động áp suất khi làm việc trong điều kiện tải trọng cao, điều này làm tăng tuổi thọ của đệm thanh truyền.
Hình 6: Buffer seal
2.3 Phốt dạng Vee (chevron)
Phớt Vee-parking là phớt chặn gồm nhiều vòng có 2 môi tạo thành chữ V, dành cho các ứng dụng có tải trọng trung bình đến nặng, bao gồm một vòng đệm đầu-đuôi, các vòng chữ V.
Nó là một cấu trúc liên kết của vòng vee vải cao su (Bố vải) và cao su được xếp chồng lên nhau, Khi mặt bích được xiết vào thêm sẽ ép các vòng của bộ phốt ép vào nhau khiến các vành môi được bung ra và làm kín tốt hơn
Hình 7: Seal dạng Vee-parking & cách lắp đặt
(Lưu ý nếu việc lạm dụng quá mức sức ép của mặt bích sẽ gây ra hiện tượng bó sát khiến xilanh hoạt động không được trơn tru).
Việc lựa chọn phốt cổ chính xác có thể đem lại lợi ích kinh tế cũng như sự hoạt động tốt nhất cho hệ thông xylanh của bạn
Các khuyến nghị khi lắp đặt seal cổ xylanh. Tham khảo hình 8 ở đây việc lắp Seal U-cup sau buffer seal theo hướng tác dụng của lực sẽ là ưu việt nhất trong hệ thống xilanh cơ bản.
Hình 8: Các vị trí lắp phốt làm kín của xylanh
Đối với bộ phốt sử dụng dạng Vee-parking thì không cần thiết phải sử dụng thêm bất cứ dạng rod seal khác.
3 Phốt làm kín quả pít-tông
Như đã giới thiệu ở phần trước, chúng ta sẽ đi qua các dạng seal làm kín piston cơ bản của 1 cây xy-lanh.
Phốt làm kín quả pít-tông đơn giản là phân chia xylanh ra thành 2 phần áp xuất không thông nhau trong hệ thống xy-lanh.
3.1 Phốt làm kín quả pít-tông tác động đơn
Về cơ bản dạng này với dạng phốt cổ dạng U-cup là giống nhau chỉ khác nhau về vị trí lắp đặt và có sự hoán đổi giữa 2 vành môi của phốt (Xem lại 2.1).
Phớt pít-tông tác động đơn được thiết kế cho các xi-lanh chỉ áp dụng từ một phía. Pít-tông trong các xi-lanh tác động đơn có thể chỉ có dầu ở phía áp suất, trong khi phía ngược lại thông với khí quyển. Do đó, phốt pít-tông phải để lại một lớp màng dầu tối thiểu khi đi dọc theo thân xi-lanh, nếu không thì phần thân không có dầu sẽ bị rỉ sét gây hư hỏng.
Trong các xi lanh tác động đơn, đầu hở có thể đẩy không khí ra ngoài và hút không khí vào khi pít-tông chuyển động qua lại. Không khí này có thể mang theo độ ẩm và chất gây ô nhiễm vào xi lanh, có thể dẫn đến hư hỏng phốt.
Hình 9: Phốt pít-tông U-cup 1 chiều
Bộ lọc thông hơi có thể được lắp vào mặt mở của xi lanh để giảm các chất gây ô nhiễm xâm nhập vào bên trong xi lanh. Lỗ xi lanh có thể được mạ crom cứng để chống ăn mòn.
Về cơ bản phốt chữ U chỉ có thể chịu lực tác dụng 1 hướng nên:
Để phốt pít-tông tác dụng đơn trong xi-lanh tác động kép ta có thể sử dụng hai phớt định hình chữ U tác động đơn, quay về hai hướng ngược nhau trong xi lanh tác động kép. Điều quan trọng là phải chọn các thiết kế vòng đệm có thể giảm áp suất đảo ngược cho các bố trí như vậy để tránh tích tụ áp suất giữa hai vòng đệm.
Hình 9: Phốt pít-tông U-cup 2 chiều
3.2 Phốt làm kín quả pít-tông tác động kép.
Để giải quyết vấn đề áp xuất tồn đọng giữa 2 phốt làm kín quả pít-tông ở hình 9 chúng ta có sẽ có thêm nhiều lựa chọn khác.
- Phớt PTFElà phớt pít-tông tác động kép (hình 10) và có bộ cấp đàn hồi bằng cao su nitrile (NBR), là vòng chữ O-ring theo tiêu chuẩn. Về cơ bản phốt này và phốt kín cổ xy-lanh ở mục 2.2 là giống nhau về nguyên liệu, và đảo ngược vị trí cho các vòng. Các cấu hình này phù hợp với áp suất lên đến 400 bar (5800 psi) trong các ứng dụng tải trọng trung bình đến nặng. Phốt dạng này luôn có sẵn ở kích thước hệ mét và inch và một số kích thước hệ mét phù hợp với tiêu chuẩn ISO 7425-1:1988.
Hinh 10: Phớt làm kín quả pít-tông kép
Phớt pít-tông dạng DAS – 5 miếng
Phớt DAS là phớt pít-tông tác động kép (hình 11) và có vòng đệm cao su nitrile (NBR) với các vòng chống đùn đàn hồi polyester dẻo nhiệt dẻo (TPC) ở cả hai bên, kết hợp với các vòng dẫn hướng polyacetal (POM). Các vòng dẫn hướng và chống đùn được tách ra để dễ dàng lắp đặt. Các cấu hình DAS phù hợp với áp suất lên tới 250 bar (3 625 psi) trong các ứng dụng tải trọng trung bình và có sẵn ở các kích thước hệ mét. Một số kích thước phù hợp với vỏ đệm theo tiêu chuẩn ISO 6547:1981.
Hình 11 Phốt dạng DAS
4. Vòng dẫn hướng mài mòn (Wear-ring)
4.1 Vị trí lắp đặt: Vòng mài mòn thường được lắp đặt trên quả pít-tông và trên Cổ xy-lanh.
Hình 12 Các vị trí thường lắp đặt của dẫn hướng
4.2 Chức năng vòng dẫn hướng trong xi lanh thủy lực:
- Chúng hoạt động như một hướng dẫn tuyến tính, cung cấp hỗ trợ định tâm cho các thành phần kim loại chuyển động của xi lanh.
- Chúng bảo vệ hệ thống phốt làm kín khỏi tải trọng quá mức khi nhận các lực tác động theo phương ngang so với trục xi-lanh.
- Chúng giúp các phớt chặn bị khỏi hiện tượng mài mòn không đều.
- Chúng ngăn chặn sự đùn ra của các vòng đệm do khe hở hướng tâm không đồng đều, giữ cho các thành phần kim loại di chuyển ở vị trí đồng tâm và đảm bảo các giá trị dung sai và khoảng cách thiết kế được đồng tâm.
- Chúng ngăn không cho kim loại tiếp xúc với kim loại. Tránh tình trạng hư hỏng trực tiếp của xylanh
Hình 13: Xy-lanh bị xước nặng khi không có dẫn hướng
4.3 Các vòng mài mòn hay còn gọi là dẫn hướng thường được chia làm 2 loại:
- Loại cứng: Hay gọi là phíp-gỗ có tạo hình sẵn ôm sát vào vị trí cần lắp đặt và kích thước cố định theo tiêu chuẩn. Thường được cấu tạo từ nhựa Phenolic… cũng như các tùy chọn nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo
- Loại mềm: Loại này được xác định theo kích thước dọc x cao và có độ dài tùy chỉnh theo nhu cầu sử dụng (dạng cuộn). Vật liệu bao gồm các hợp chất dựa trên polytetrafluoroetylen (PTFE), Các vòng chống mài mòn dựa trên PTFE cung cấp ma sát cực thấp trong các hệ thống và đặc biệt phù hợp trong các ứng dụng chạy khô. Chúng có thể được ghép với thép, nhôm và gang.
Hình 14.1 Vòng mài mòn cứng Hình 14.2 Vòng mài mòn mềm
