ภาพประกอบ 1: แสดง "กระบอกสูบทำงานทางเดียว" (Single-Acting Cylinder)
ภาพนี้จะแสดงโครงสร้างและการทำงานของกระบอกสูบแบบ Single-Acting ที่ใช้แรงดันจากด้านเดียวและสปริงช่วยในการหดกลับ
🛠️ ความแตกต่างของกระบอกสูบ (Cylinder) ในระบบกำลังของไหล
กระบอกสูบทำหน้าที่แปลงพลังงานของไหล (ลมหรือน้ำมัน) ให้เป็น การเคลื่อนที่เชิงเส้น (Linear Motion) โดยหลักแล้วจะแบ่งตามวิธีการทำงานของแรงดัน (How the pressure acts on the piston):
1. กระบอกสูบทำงานทางเดียว (Single-Acting Cylinder)
หลักการทำงาน: ใช้แรงดันของไหล (ลมหรือน้ำมัน) เพียงด้านเดียว ในการทำให้ก้านสูบ เคลื่อนที่ออก (Extension) เท่านั้น
การหดกลับ (Retraction): ก้านสูบจะหดกลับด้วยแรงอื่น ๆ ที่ไม่ใช่แรงดันของไหล โดยส่วนใหญ่คือ:
สปริง (Spring Force): ใช้สปริงที่ติดตั้งภายในดันก้านสูบกลับ (พบมากในระบบนิวแมติกส์)
แรงโน้มถ่วง (Gravity/External Load): ใช้แรงจากภาระที่กระทำภายนอกดันก้านสูบกลับ
ข้อดี: โครงสร้างง่าย ประหยัดพลังงาน (ใช้ของไหลเฉพาะตอนทำงาน)
ข้อเสีย: แรงที่สร้างได้น้อยกว่าแบบสองทาง (เพราะต้องเอาชนะแรงสปริง) ความเร็วในการหดกลับขึ้นอยู่กับแรงสปริง/ภาระภายนอก
2. กระบอกสูบทำงานสองทาง (Double-Acting Cylinder)
หลักการทำงาน: ใช้แรงดันของไหลในการควบคุมการเคลื่อนที่ ทั้งสองทิศทาง คือ ยืดออก (Extension) และ หดกลับ (Retraction)
กลไก: มีพอร์ตทางเข้าของของไหล 2 พอร์ต คือ พอร์ตด้านหัวกระบอก (Cap End) และพอร์ตด้านก้านสูบ (Rod End)
ยืดออก: อัดของไหลเข้าพอร์ตด้านหัวกระบอก
หดกลับ: อัดของไหลเข้าพอร์ตด้านก้านสูบ
ข้อดี: สร้างแรงได้สูงทั้งสองทิศทาง สามารถควบคุมความเร็วในการเคลื่อนที่ได้แม่นยำกว่า
ข้อเสีย: ใช้ปริมาณของไหลมากกว่า โครงสร้างซับซ้อนกว่า
📐 วิธีหาแรงที่กระบอกสูบสามารถสร้างได้ (Force Calculation)
การคำนวณหาแรงตามทฤษฎี (Theoretical Force, $F$) ที่กระบอกสูบสร้างได้ ใช้หลักการของ กฎของปาสกาล คือ แรงดัน ($P$) คูณด้วยพื้นที่ ($A$) ที่แรงดันนั้นกระทำ
โดยที่:
$F$ = แรงตามทฤษฎีที่สร้างได้ (หน่วย: นิวตัน, N หรือ ปอนด์, lb)
$P$ = แรงดันของไหลใช้งาน (หน่วย: $\text{Pa}$ หรือ $\text{psi}$)
$A$ = พื้นที่หน้าตัดของลูกสูบที่แรงดันกระทำ (หน่วย: $\text{m}^2$ หรือ $\text{in}^2$)
1. แรงขณะก้านสูบยืดออก (Extension Force, $F_{\text{EXT}}$)
แรงดันกระทำที่ พื้นที่เต็มหน้าตัดของลูกสูบด้านหัวกระบอก (Cap End Area, $A_{\text{CAP}}$)
พื้นที่ที่ใช้คำนวณ: $A_{\text{CAP}} = \frac{\pi D^2}{4}$
$D$: เส้นผ่านศูนย์กลางของลูกสูบ (Bore Diameter)
2. แรงขณะก้านสูบหดกลับ (Retraction Force, $F_{\text{RET}}$)
แรงดันกระทำที่ พื้นที่หน้าตัดรูปวงแหวนด้านก้านสูบ (Annulus Area, $A_{\text{ANN}}$) เท่านั้น เนื่องจากพื้นที่ส่วนหนึ่งถูกก้านสูบแย่งไป
พื้นที่ที่ใช้คำนวณ: $A_{\text{ANN}} = \frac{\pi (D^2 - d^2)}{4}$
$D$: เส้นผ่านศูนย์กลางของลูกสูบ (Bore Diameter)
$d$: เส้นผ่านศูนย์กลางของก้านสูบ (Rod Diameter)
ข้อควรทราบ:
แรงตามทฤษฎี vs. แรงใช้งานจริง: แรงที่คำนวณได้เป็น แรงตามทฤษฎี (Theoretical Force) ในความเป็นจริง แรงที่กระบอกสูบสร้างได้จะมีค่าลดลงประมาณ 10-20% เนื่องจาก แรงเสียดทาน (Friction) ที่เกิดจากซีลและชิ้นส่วนเคลื่อนที่
ความแตกต่างของแรง: ในกระบอกสูบทำงานสองทาง ($D > d$) ทำให้ $A_{\text{CAP}} > A_{\text{ANN}}$ เสมอ ดังนั้น แรงขณะยืดออก ($F_{\text{EXT}}$) จึงมากกว่าแรงขณะหดกลับ ($F_{\text{RET}}$) ที่แรงดันใช้งานเดียวกัน
| หัวข้อหลัก | กระบอกสูบ, แอคทูเอเตอร์, ระบบกำลังของไหล | Cylinder, Actuator, Fluid Power |
| ประเภทกระบอกสูบ | Single-Acting, Double-Acting, กระบอกสูบทำงานทางเดียว, กระบอกสูบทำงานสองทาง | Single-Acting Cylinder, Double-Acting Cylinder |
| การคำนวณและสูตร | การคำนวณแรง, สูตรแรงไฮดรอลิก, แรงดัน, พื้นที่หน้าตัด | Force Calculation, Hydraulic Formula, Pressure, Area |
| ส่วนประกอบ | ก้านสูบ, ลูกสูบ, แรงสปริง, พื้นที่หน้าตัดวงแหวน | Piston Rod, Piston, Spring Force, Annulus Area |
| วิศวกรรม/การประยุกต์ | วิศวกรรมเครื่องกล, นิวแมติกส์, ไฮดรอลิกส์ | Mechanical Engineering, Pneumatics, Hydraulics |
