Khi bạn bóp phanh của chiếc xe máy, dầu phanh phải chạy từ tay phanh trên tay lái xuống kẹp phanh ở bánh xe. Bánh xe thì liên tục nảy lên xuống theo mặt đường, nên đoạn ống cuối cùng không thể là ống cứng. Nó phải là một đoạn ống mềm, chịu được sức đẩy rất lớn của dầu (gọi là áp suất) mà không rò một giọt. Làm ra một đoạn ống vừa uốn được vừa không rò như vậy chính là bài toán của ống mềm thủy lực, và con người đã mất gần ba trăm năm mới giải xong.
Bài toán của ống mềm thủy lực là gì?
Bài toán là dẫn chất lỏng có áp suất tới một nơi đang chuyển động mà không để rò rỉ. Chỗ đứng yên thì dùng ống thép cứng, còn chỗ chuyển động thì cần ống mềm, vì ống mềm uốn được và hấp thụ được rung động (Stauff). Bánh xe máy trong ảnh trên là một chỗ như vậy, khớp quay của cần máy xúc cũng thế.
Ống mềm thủy lực là loại ống uốn được, dùng để dẫn dầu có áp suất giữa các bộ phận của máy. Ngày nay ống có cấu tạo ba lớp: lõi cao su, lớp sợi thép ở giữa và vỏ ngoài. Cấu tạo và cách nối ống ngày nay là kết quả của bốn cửa ải mà nhân loại đã phải vượt qua:
- Uốn được mà không rò
- Ống phải cong theo chuyển động của máy.
- Chịu được dầu
- Dầu làm hỏng cao su thiên nhiên, nên ống dẫn dầu cần loại cao su chịu được dầu.
- Chịu được áp suất cao
- Ống phải chịu sức đẩy của dầu mà không nổ.
- Thay được khi mòn
- Ống mòn thì chỉ thay riêng ống, không bắt cả hệ thống phải thay theo.
Làm sao để ống uốn được mà không rò?
Muốn ống vừa uốn được vừa không rò, người ta đã thử lần lượt ba vật liệu: bắt đầu từ da khâu, rồi tới vải dệt, và cuối cùng là cao su. Khoảng năm 1673, Jan van der Heyden và con trai ở Amsterdam làm ống chữa cháy đầu tiên. Ống làm từ những đoạn da khâu nối lại, mỗi đoạn dài khoảng 15 mét (Wikipedia). Đó là ống dẫn nước, chưa phải ống dẫn dầu, nhưng là tổ tiên của ống mềm chịu áp.
Ống da thì hay bị nổ khi nước đẩy mạnh bên trong. Đến khoảng năm 1890, ống dệt bằng sợi lanh (sợi lấy từ cây lanh) bắt đầu thay ống da. Sợi lanh gặp nước thì nở ra, làm mặt dệt khít lại nên nước khó lọt qua (Wikipedia).
Bước ngoặt là cao su lưu hóa, tức là xử lý cao su với lưu huỳnh. Cách này nối các chuỗi phân tử (những sợi dài rất nhỏ tạo nên cao su) lại với nhau. Nhờ vậy cao su cứng cáp, bền hơn và không chảy mềm khi nóng (Wikipedia). Charles Goodyear phát hiện ra cách làm này vào năm 1839 và nhận bằng sáng chế năm 1844. Ở Anh, Thomas Hancock cũng có bằng sáng chế cách làm này vào năm 1843.
Thế là ống đã uốn được, nhưng dẫn dầu lại là chuyện khác.
Làm sao để ống không bị dầu phá hỏng?
Dầu làm hỏng cao su thiên nhiên (Wikipedia), nên ống dẫn dầu phải dùng loại cao su chịu được dầu, và loại ấy chỉ ra đời vào thập niên 1930. Đó là cao su nitrile (còn gọi là Buna-N hay NBR), do các nhà hóa học của BASF và Bayer ở Đức phát triển năm 1931. Năm 1935, Đức bắt đầu sản xuất loại cao su này để bán (Wikipedia).
Nitrile chịu dầu tốt hơn cao su thiên nhiên và chịu được cả nhiên liệu, hóa chất, dù kém dẻo hơn. Vì vậy nó được dùng làm ống dẫn dầu và nhiên liệu cho ô tô và hàng không (Wikipedia). Ngày nay nitrile vẫn là loại cao su phổ biến nhất trong máy móc thủy lực. Nó bền qua nhiều mức nhiệt và hợp với hầu hết các loại dầu thủy lực (Hose Assembly Tips).
Làm sao để ống chịu được áp suất cao?
Ống đã chịu được dầu, nhưng dầu trong máy bị đẩy với sức rất lớn, nên ruột cao su phải được gia cường, tức là làm khỏe thêm, bằng sợi vải rồi sợi thép. Ống đời đầu có ruột cao su quấn sợi vải, và ngay cả áp suất 1.000 psi (khoảng 69 bar) cũng từng khó đạt tới. Thêm lớp sợi thép bện bên ngoài ruột cao su thì ống chịu được áp suất cao hơn. Từ đó người trong nghề gọi ống theo số lớp thép, như ống 2 lớp (Hose Assembly Tips). Cách gọi ống 1 lớp, ống 2 lớp ở Việt Nam cũng cùng cách nghĩ ấy.
Mốc rõ ràng nhất của thập niên 1930 nằm ở chiếc phanh xe. Năm 1935, Albert J. Weatherhead Jr. ở Cleveland (Mỹ) nộp bằng sáng chế cho một đầu nối ống phanh thủy lực ô tô, và được cấp năm 1938. Đầu nối là phần kim loại gắn ở đầu ống, dùng để nối ống vào máy. Bằng sáng chế nêu rõ đầu nối phải chịu áp suất tới khoảng 1.600 psi (hơn 110 bar) và không được rò. Nó cũng phải chịu rung và chuyển động giữa thân xe với bánh xe (Google Patents). Gần như cùng lúc, ở bên kia Thái Bình Dương, hãng Yokohama của Nhật cũng làm ra, vào năm 1936, ống phanh thủy lực ô tô đầu tiên do chính nước Nhật sản xuất (FundingUniverse).
Làm sao để thay được ống khi mòn?
Ống đã chịu được dầu và áp suất, nhưng ống nào dùng lâu cũng mòn, nên phải có cách thay riêng ống mà không thay cả hệ thống. Nếu ống gắn chết vào hệ thống thì ống mòn là phải thay cả cụm phanh, và máy bay là nơi vấn đề này rõ nhất. Lời giải là đầu nối tháo ra được và dùng lại được.
Kỹ sư người Đức Peter F. Hurst và nhóm của ông, theo hợp đồng với hãng máy bay Focke-Wulf, đại tu bánh và phanh thủy lực của máy bay. Họ làm ra loại đầu nối ấy, để thay ống mòn mà không phải xả hết dầu trong hệ thống (FundingUniverse).
Ông lập hãng Aeroquip ở Mỹ năm 1940. Theo chính công ty này, ống và đầu nối của hãng sau đó trở thành tiêu chuẩn cho máy bay quân sự Mỹ (FundingUniverse). Ý tưởng thay riêng ống hỏng mà giữ nguyên hệ thống vẫn được dùng đến ngày nay.
Ống mềm thủy lực thực sự ra đời vào năm nào? Có phải đầu những năm 1940?
Mốc đầu những năm 1940 chỉ đúng một phần. Nhiều tài liệu ghi như vậy, nhưng bằng sáng chế và tài liệu của hãng cho thấy ống chịu áp và đầu nối cho phanh đã có từ thập niên 1930. Chiến tranh thế giới thứ hai là lúc loại ống này được làm với số lượng lớn: doanh số thời chiến của Aeroquip đạt đỉnh năm 1944, hơn 6,2 triệu USD (FundingUniverse).
Còn ống bện thép đầu tiên do ai làm ra và vào năm nào thì đến nay vẫn chưa rõ, vì chưa có nguồn nào kiểm chứng được.
Bài toán đã được giải xong chưa?
Về cơ bản là rồi, và lời giải đã được ghi thành tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn SAE J517 về ống thủy lực, do hiệp hội kỹ sư SAE của Mỹ ban hành, phát hành lần đầu vào tháng 1 năm 1952 (SAE). Ngày nay ống được đặt tên theo tiêu chuẩn châu Âu, như EN 853 cho ống bện (sợi thép đan) và EN 856 cho ống xoắn (sợi thép quấn xoắn) (Semperit). Tiêu chuẩn quốc tế ISO 18752 áp dụng cho ống có sợi thép hoặc sợi vải làm khỏe thêm.
Các mốc trên gói lại trong hình dưới.
Một dòng chữ thường in trên dây ống gói gọn cả lời giải ấy: EN 856 4SH DIN 20023 DN 38 1-1/2 inch WP 290 Bar. Đọc ra đó là ống xoắn 4 lớp thép theo tiêu chuẩn EN 856, cỡ 1-1/2 inch, áp suất làm việc 290 bar. Áp suất nổ ghi trên ống là 1.160 bar (mức làm ống vỡ khi thử). Con số này đúng tỉ lệ 4:1 mà phần lớn ống thủy lực được tính, tức là áp suất nổ tối thiểu gấp khoảng 4 lần áp suất làm việc (Fluid Power World).
Ống thủy lực ở cửa hàng Minh Hiền
Cửa hàng bán ống thủy lực từ 1/4 inch tới 2 inch, cắt lẻ theo mét hoặc nguyên cuộn, và bấm ống theo yêu cầu của bạn ngay tại tiệm. Bạn xem các loại ở trang Ống thủy lực, hoặc đọc thêm trong chủ đề Ống thủy lực.
