Các xi lanh hoạt động đơn và hai xu hướng chính trong kỹ thuật cơ khí

Trong kỹ thuật cơ khí, xi-lanh đóng vai trò là thành phần cốt lõi của động cơ piston, với các nguyên tắc hoạt động của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến công suất và hiệu suất của hệ thống. Dựa trên cách chất lỏng làm việc tương tác với piston, xi-lanh thường được phân loại là xi-lanh tác động đơn hoặc tác động kép. Việc hiểu rõ hai loại xi-lanh này — cơ chế hoạt động, ứng dụng và sự phát triển của chúng trong các loại động cơ khác nhau — là rất quan trọng đối với các chuyên gia kỹ thuật cơ khí.

Xi-lanh tác động đơn có thiết kế tương đối đơn giản, trong đó chất lỏng làm việc chỉ tác dụng lực lên một mặt của piston. Điều này có nghĩa là piston tạo ra công suất chỉ theo một hướng, trong khi chuyển động trở lại của nó dựa vào các lực bên ngoài như lực cản của tải, lò xo, chuyển động đồng bộ từ các xi-lanh khác hoặc quán tính của bánh đà. Những ưu điểm của thiết kế này bao gồm cấu trúc đơn giản, chi phí sản xuất thấp hơn và bảo trì dễ dàng hơn.

Xi-lanh tác động đơn được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại động cơ piston khác nhau. Trong các động cơ đốt trong như động cơ xăng và động cơ diesel, xi-lanh tác động đơn được áp dụng gần như phổ biến. Chúng cũng xuất hiện trong các động cơ đốt ngoài như động cơ Stirling và một số động cơ hơi nước. Ngoài động cơ, các xi-lanh này thường được sử dụng trong bơm và bộ truyền động thủy lực.

Hoạt động của xi-lanh tác động đơn rất đơn giản. Khi chất lỏng làm việc (khí nén hoặc hơi nước) đi vào xi-lanh, nó đẩy piston theo một hướng để tạo ra công suất. Khi nguồn cung cấp chất lỏng dừng lại hoặc cạn kiệt, các lực bên ngoài sẽ đưa piston trở lại vị trí ban đầu. Ví dụ, trong một xi-lanh khí nén tác động đơn cơ bản, khí nén đi vào một đầu để đẩy piston về phía trước, trong khi một lò xo bên trong sẽ đưa nó trở lại khi áp suất không khí được giải phóng. Các xi-lanh như vậy rất lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu chuyển động nhanh, không liên tục như đục hoặc kẹp khí nén.

• Động cơ đốt trong: Động cơ xăng và động cơ diesel sử dụng xi-lanh tác động đơn làm cấu hình tiêu chuẩn, trong đó áp suất đốt cháy đẩy piston xuống dưới trong khi chuyển động quay của trục khuỷu và chuyển động của các xi-lanh khác tạo điều kiện cho sự trở lại.
• Động cơ Stirling: Một số phiên bản của các động cơ đốt ngoài này sử dụng thiết kế tác động đơn với lò xo hoặc đối trọng để piston trở lại.
• Bơm: Xi-lanh tác động đơn điều khiển piston bơm để truyền chất lỏng, ví dụ như bơm nước thủ công.
• Bộ truyền động thủy lực: Chúng tạo ra lực đẩy một chiều mạnh mẽ cho các ứng dụng như kích.

Không giống như các đối tác tác động đơn của chúng, xi-lanh tác động kép cho phép chất lỏng làm việc thay phiên nhau tạo áp suất cho cả hai mặt piston, cho phép tạo ra công suất hai chiều để kiểm soát và hiệu quả vượt trội. Thiết kế này yêu cầu một đường dẫn thanh ở một đầu xi-lanh với các cơ chế bịt kín như hộp nhồi để ngăn rò rỉ chất lỏng.

Mặc dù phổ biến trong động cơ hơi nước, xi-lanh tác động kép ít phổ biến hơn trong các loại động cơ khác nhưng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thủy lực và khí nén yêu cầu tạo lực hai chiều, chẳng hạn như trong máy xúc và cần cẩu.

Xi-lanh tác động kép hoạt động thông qua hai cổng được đặt ở các mặt piston đối diện. Chất lỏng đi vào một cổng sẽ điều khiển piston trong khi thoát ra khỏi cổng đối diện, với quá trình đảo ngược khi hướng dòng chất lỏng thay đổi. Trong các phiên bản khí nén, khí nén đi vào một trong hai đầu sẽ kiểm soát hướng và tốc độ chuyển động của piston một cách chính xác.

• Động cơ hơi nước: Chúng thường sử dụng xi-lanh tác động kép để cải thiện công suất và hiệu suất, với việc nạp hơi nước xen kẽ điều khiển chuyển động quay của trục khuỷu.
• Bộ truyền động thủy lực: Cần thiết cho các thiết bị yêu cầu lực hai chiều như gầu máy xúc và cần cẩu.
• Bộ truyền động khí nén: Được sử dụng trong các hệ thống tự động để điều khiển cánh tay cơ khí và van.

Các động cơ hơi nước ban đầu như động cơ khí quyển và động cơ dầm chủ yếu sử dụng xi-lanh tác động đơn, phù hợp với các ứng dụng lực một chiều như bơm mỏ. Tuy nhiên, sự phát triển động cơ dầm quay của James Watt đã nhấn mạnh tầm quan trọng của xi-lanh tác động kép đối với việc cung cấp năng lượng mượt mà hơn trong các ổ đĩa cơ khí. Các động cơ áp suất cao của Richard Trevithick sau đó đã thiết lập các thiết kế tác động kép làm tiêu chuẩn động cơ hơi nước, mặc dù một số biến thể tốc độ cao đã giới thiệu lại các nguyên tắc tác động đơn với các đầu chữ thập tích hợp loại bỏ thanh piston — một khái niệm tương tự như thiết kế động cơ đốt trong.

Không giống như động cơ hơi nước, gần như tất cả các động cơ đốt trong đều sử dụng xi-lanh tác động đơn với piston tích hợp có chốt cổ tay thanh truyền. Điều này loại bỏ đầu chữ thập và thanh piston đồng thời tạo điều kiện cho việc bôi trơn trục khuỷu hiệu quả — rất quan trọng để làm mát piston và ngăn ngừa quá nhiệt cục bộ.

Động cơ xăng hai thì nhỏ sử dụng nén hộp trục khuỷu, sử dụng mặt dưới của piston làm máy nén khí trong khi vẫn duy trì phân loại tác động đơn để tạo ra công suất. Các động cơ khí ban đầu như thiết kế năm 1860 của Étienne Lenoir ban đầu bắt chước cấu hình tác động kép của động cơ hơi nước nhưng nhanh chóng chuyển sang thiết kế tác động đơn do các cân nhắc về tải trọng ổ trục và yêu cầu về buồng đốt.

Những trường hợp ngoại lệ đáng chú ý bao gồm các động cơ khí cực lớn cho máy thổi lò cao và động cơ diesel tác động kép hai thì trên biển của Burmeister & Wain vào những năm 1930, với một số đơn vị cung cấp 24.000 mã lực. Tuy nhiên, thiết kế đốt trong tác động kép vẫn còn hiếm, với những thất bại đáng chú ý như động cơ H.O.R. trong tàu ngầm Mỹ những năm 1930 đã thúc đẩy việc thay thế bằng các đơn vị tác động đơn thông thường.

Xi-lanh thủy lực — bộ truyền động cơ khí được cung cấp năng lượng bằng dầu có áp suất — phục vụ các ứng dụng đa dạng, đặc biệt là trong thiết bị xây dựng, máy móc sản xuất và các dự án kỹ thuật dân dụng, tận dụng cả nguyên tắc tác động đơn và tác động kép dựa trên yêu cầu vận hành.

Xi-lanh tác động đơn và tác động kép đại diện cho hai giải pháp kỹ thuật cơ khí cơ bản, mỗi giải pháp cung cấp những ưu điểm riêng biệt cho các ứng dụng cụ thể. Trong khi các thiết kế tác động đơn vượt trội trong các ứng dụng một chiều tiết kiệm chi phí, các biến thể tác động kép cung cấp khả năng kiểm soát và hiệu quả vượt trội cho các hoạt động hai chiều. Những tiến bộ công nghệ liên tục đảm bảo sự đổi mới liên tục trong thiết kế xi-lanh, mang đến các giải pháp năng lượng ngày càng hiệu quả và đáng tin cậy trong các ngành công nghiệp.