Co za Cylinder pneumatyczny Właściwie działa na linii produkcyjnej
Cylinder pneumatyczny przekształca ciśnienie sprężonego powietrza w liniową siłę mechaniczną, a krótka odpowiedź dla każdego, kto go wybierze, jest następująca: rozmiar otworu określa siłę wyjściową, długość skoku określa odległość przesuwu, a konstrukcja pręta określa nośność pod obciążeniami bocznymi . Standardowy cylinder siłownika pneumatycznego zasilany powietrzem warsztatowym pod ciśnieniem 6 barów (87 psi) i średnicy 32 mm wytwarza siłę w przybliżeniu 482 niutonów przy suwie pchania, co wystarcza do wykonania większości zadań zaciskania, podnoszenia i prasowania spotykanych w sprzęcie do pakowania i montażu. Jeśli proces wymaga większej siły bez zwiększania średnicy średnicy, jedynymi praktycznymi ścieżkami jest podniesienie ciśnienia w układzie (w granicach znamionowych cylindra, zwykle 10 barów w przypadku jednostek standardowych) lub przejście na konstrukcję cylindra tandemowego, w którym dwa tłoki są ustawione na jednym tłoczysku.
Siłowniki siłowników dzielą się na dwie szerokie rodziny mechaniczne: cylindry jednostronnego działania, które wykorzystują ciśnienie powietrza do ruchu w jednym kierunku i sprężynę do powrotu, oraz cylindry dwustronnego działania, które wykorzystują ciśnienie powietrza zarówno do wysuwania, jak i cofania. Według danych dystrybutorów komponentów z katalogów Festo i SMC, konstrukcje dwustronnego działania stanowią około 75% przemysłowych instalacji cylindrów pneumatycznych, głównie dlatego, że zapewniają kontrolowaną siłę i prędkość w obu kierunkach oraz nie marnują energii na ściskanie sprężyny powrotnej w każdym cyklu.
Obliczanie siły cylindra: liczby, które mają znaczenie
Wzór na siłę cylindra pneumatycznego jest prosty: Siła (N) = ciśnienie (bar) x powierzchnia (cm²) x 10 . Powierzchnię tłoka oblicza się na podstawie średnicy otworu, stosując standardowy wzór na powierzchnię koła, π razy promień do kwadratu. W przypadku skoku po stronie tłoczyska (wycofania) pole przekroju poprzecznego tłoczyska należy odjąć od całkowitej powierzchni tłoka, dlatego też siła wycofania jest zawsze mniejsza niż siła rozciągająca w cylindrze dwustronnego działania, często o 10% do 15% w zależności od średnicy tłoczyska.
| Średnica otworu | Obszar tłoka | Siła przy 6 barach | Typowe zastosowanie |
|---|---|---|---|
| 16 mm | 2,01 cm² | 120 N | Wyrzucanie małych części, bramkowanie |
| 25 mm | 4,91 cm² | 295 N | Lekkie mocowania mocujące |
| 32 mm | 8,04 cm² | 482 N | Przenośnik zatrzymuje się, pcha płyty |
| 50 mm | 19,63 cm² | 1178 N | Łączenie wtłaczane, formowanie blachy |
| 80 mm | 50,27 cm² | 3016 N | Ciężkie mocowanie, oprzyrządowanie do odlewania ciśnieniowego |
Warto zauważyć, że teoretyczna siła z tego wzoru reprezentuje maksymalną dostępną moc wyjściową przed stratami tarcia. Rzeczywista siła dostarczana jest o około 5–10% niższa ze względu na tarcie uszczelnień, szczególnie w cylindrach, które pracowały przez dłuższy czas bez konserwacji smarowania.
Rodzaje korpusów cylindrów i kiedy każdy pasuje
Cylindry pneumatyczne są produkowane w kilku konfiguracjach korpusu, a wybranie niewłaściwego typu jest jednym z najczęstszych źródeł przedwczesnego zużycia sprzętu zautomatyzowanego.
Cylindry z okrągłym korpusem (ISO 6432).
Są to najbardziej kompaktowe opcje dla danego rozmiaru otworu i można je łatwo zamontować w ciasnych ramach maszyn za pomocą wideł lub wsporników kołnierzowych. Występują powszechnie w średnicach otworów od 8 mm do 25 mm i są preferowane w przypadku ramion typu pick-and-place, małych mechanizmów wyrzutników i zastosowań wlewowych, gdzie przestrzeń wzdłuż osi uruchamiania jest ograniczona.
Korpus profilowy (ISO 15552) Cylindry
Korpusy o przekroju kwadratowym lub prostokątnym ze zintegrowanymi szczelinami montażowymi wzdłuż wszystkich czterech stron. Płaskie powierzchnie i rowki w kształcie litery T pozwalają projektantom przykręcić czujniki, wsporniki i szyny prowadzące bezpośrednio do korpusu cylindra bez dodatkowych elementów mocujących. Ten styl dominuje w zakresie średnic otworów od 32 mm do 125 mm i jest domyślnym wyborem dla ogólnej automatyki przemysłowej.
Cylindry prowadzone (ślizgowe).
Łączą one standardowy cylinder z wbudowanymi liniowymi prętami prowadzącymi, zwykle dwoma wałami ze stali hartowanej biegnącymi równolegle do głównego pręta. Pręty prowadzące pochłaniają obciążenia boczne i moment obrotowy, które w przeciwnym razie spowodowałyby wygięcie lub zużycie standardowego tłoczyska cylindra i uszczelki. W każdym zastosowaniu, w którym obciążenie jest przykładane niecentrycznie w stosunku do linii środkowej tłoczyska, np. w przypadku ramienia popychacza lub chwytaka obrotowego, należy używać cylindra prowadzonego, a nie standardowego cylindra prętowego , ponieważ obciążenie boczne jest najczęstszą przyczyną przedwczesnego uszkodzenia uszczelnienia tłoczyska.
Cylindry kompaktowe
Zespoły o krótkim skoku i płaskim profilu przeznaczone do operacji mocowania, w których przestrzeń osiowa jest na wagę złota, np. na wielostanowiskowych stołach obrotowych. Długości skoku rzadko przekraczają 50 mm, ale płaska powierzchnia montażowa i zmniejszona długość całkowita sprawiają, że idealnie nadają się do instalacji, w których standardowy cylinder po prostu nie pasuje.
Style montażu i ich mechaniczne kompromisy
Wybrany sposób montażu wpływa nie tylko na instalację, ale także na naprężenia zginające, jakie występują w korpusie cylindra i tłoczysku podczas pracy.
- Montaż na stopach : Przykręcany wzdłuż dolnej części korpusu cylindra, prosty i sztywny, ale wymaga idealnego wyrównania ścieżki obciążenia, aby uniknąć momentów zginających działających na rurę korpusu.
- Montaż kołnierzowy : Przykręcane na końcu nakrętki lub główki, bardzo sztywne do zastosowań osiowych pchających/ciągnących, powszechnie stosowane w prasach i urządzeniach do tłoczenia.
- Montaż czopowy : Punkt obrotu umożliwia wahanie się cylindra podczas jego wysuwania, co jest istotne w przypadku ramion zaciskowych i mechanizmów podnoszących, które obracają się po łuku, a nie po linii prostej.
- Mocowanie widełek : Połączenie sworzniowo-widełkowe z tyłu cylindra, często połączone ze sworzniem również na końcu drążka, umożliwiające obrót całego cylindra podczas skoku.
Mocowania czopowe i widełkowe to jedyne opcje, które należy stosować, gdy ścieżka uruchamiania nie jest linią prostą, ponieważ sztywne mocowania przy obciążeniu obrotowym szybko wyginają tłoczysko.
Zużycie powietrza: Prawidłowy dobór sprężarki
Jednym z czynników pomijanych podczas dodawania cylindrów do istniejącego układu pneumatycznego jest całkowite zapotrzebowanie na powietrze. Każdy cykl cylindra zużywa objętość sprężonego powietrza równą powierzchni tłoka pomnożonej przez długość skoku, podwojoną w przypadku cylindrów dwustronnego działania, ponieważ obie komory napełniają i wypuszczają powietrze w każdym cyklu.
Na przykład cylinder o średnicy 50 mm i skoku 200 mm ma objętość tłoka po stronie przedłużenia wynoszącą około 393 cm3. Dodaj objętość po stronie tłoczyska (nieco mniejszą ze względu na przemieszczenie tłoczyska, nazwij ją 370 cm3), a jeden pełny cykl zużywa około 763 cm3 wolnego powietrza pod ciśnieniem atmosferycznym, pomnożonego przez stopień sprężania. Przy ciśnieniu 6 barów (absolutnie 7 barów) oznacza to około 5,3 litra wolnego powietrza na cykl. Maszyna uruchamiająca ten cylinder z szybkością 20 cykli na minutę zużyje około 106 litrów wolnego powietrza na minutę tylko dla tego jednego siłownika co stanowi znaczące obciążenie po przemnożeniu na maszynę posiadającą kilkanaście i więcej cylindrów.
| Rozmiar otworu | Skok 100 mm | Skok 200 mm | Skok 300 mm |
|---|---|---|---|
| 25 mm | 26 l/min | 52 l/min | 78 l/min |
| 32 mm | 42 l/min | 84 l/min | 127 l/min |
| 50 mm | 53 l/min | 106 l/min | 159 l/min |
| 80 mm | 135 l/min | 271 l/min | 406 l/min |
Zakłady często nie doceniają wymiarów sprężarek podczas dodawania nowych modułów automatyki, ponieważ obliczenia opierają się wyłącznie na średnicy cylindra, bez uwzględnienia szybkości cykli. Sprężarka niedowymiarowana w stosunku do całkowitego zapotrzebowania powoduje spadek ciśnienia w układzie podczas szczytowych cykli, co bezpośrednio zmniejsza siłę wyjściową wszystkich cylindrów w układzie jednocześnie, co czasami prowadzi techników do błędnej diagnozy objawu jako uszkodzonego siłownika, gdy prawdziwa przyczyna leży przed sprężarką.
Amortyzacja na końcu skoku i dlaczego wydłuża żywotność
Pod koniec każdego skoku tłok zwalnia, uderzając w pokrywę końcową, chyba że występuje jakaś forma amortyzacji. Standardowe cylindry bez poduszek są ograniczone do stosunkowo niskich prędkości tłoka, zwykle poniżej 0,3 metra na sekundę, zanim siły uderzenia zaczną uszkadzać tłok, zaślepki końcowe i elementy montażowe.
Regulowana amortyzacja wykorzystuje zawór iglicowy do dławienia powietrza wylotowego na ostatnich 10–15 mm skoku, spowalniając tłok przed zetknięciem się z zaślepką. Ta pojedyncza cecha może znacznie wydłużyć żywotność cylindra, ponieważ powtarzające się wstrząsy mechaniczne spowodowane nieamortyzowanym ogranicznikiem są główną przyczyną zużycia uszczelek, poluzowania elementów złącznych i ewentualnego pękania odlewu pokrywy końcowej cylindrów z korpusem aluminiowym.
W przypadku zastosowań pracujących z prędkością powyżej 0,5 m/s lub dowolnego cylindra przenoszącego masę ładunku powyżej kilku kilogramów, regulowaną poduszkę powietrzną należy uznać za wymóg standardowy, a nie opcjonalną modernizację . Gumowe zderzaki stanowią tańszą alternatywę dla lżejszych ładunków i niższych prędkości, amortyzując uderzenia poprzez odkształcenie sprężyste, a nie dławienie powietrza, ale zużywają się i wymagają okresowej wymiany.
Wybór materiałów dla różnych środowisk operacyjnych
Korpus, tłoczysko i materiały uszczelnienia cylindra siłownika decydują o tym, jak dobrze przetrwa on poza czystą, suchą i klimatyzowaną halą produkcyjną.
Standardowe cylindry z aluminiowym korpusem
Anodowane aluminium jest domyślnym rozwiązaniem do ogólnego użytku w pomieszczeniach zamkniętych. Jest lekki, odporny na korozję powierzchniową spowodowaną normalną wilgocią i łatwo wykonuje precyzyjne otwory wymagane do utrzymania dobrego uszczelnienia. Nie nadaje się do środowisk, w których występują żrące środki chemiczne do spłukiwania lub stała ekspozycja na słoną wodę bez dodatkowych powłok.
Cylindry ze stali nierdzewnej
Stosowany w przetwórstwie spożywczym, farmaceutyce i zastosowaniach morskich, gdzie rutynowe jest mycie chlorowanymi środkami czyszczącymi lub narażenie na działanie słonego powietrza. Butle ze stali nierdzewnej kosztują więcej, zazwyczaj 1,5 do 2,5 razy więcej niż równoważne jednostki aluminiowe, ale pozwalają uniknąć korozji wżerowej, która w przeciwnym razie wymagałaby częstej wymiany w tych środowiskach.
Mieszanki uszczelniające
Uszczelnienia nitrylowe (NBR) są standardem w transporcie lotniczym w temperaturach od -20°C do 80°C. W zastosowaniach wysokotemperaturowych w pobliżu pieców lub stanowisk spawalniczych uszczelnienia fluorowęglowe (FKM/Viton) rozszerzają zakres użytkowy do około 150°C, ale kosztują znacznie więcej. W przypadku maszyn do stosowania w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym wymagane są masy uszczelniające zgodne z FDA, które należy wyraźnie określić przy składaniu zamówienia, ponieważ standardowe uszczelki mogą nie spełniać wymagań dotyczących przetwarzania sanitarnego.
Typowe objawy awarii i ich pierwotne przyczyny
Technicy pracujący w terenie wielokrotnie spotykają się z tymi samymi wzorami usterek w cylindrach siłowników, a ich szybkie rozpoznanie pozwala zaoszczędzić znaczne przestoje.
| Objaw | Prawdopodobna przyczyna | Działanie naprawcze |
|---|---|---|
| Powolny lub powolny udar | Zbyt małe przewody, wąskie złączki lub niskie ciśnienie w przewodzie | Sprawdź ciśnienie zasilania na porcie cylindra, zwiększ średnicę rurki |
| Wyciek powietrza z końcówki drążka | Zużyte uszczelnienie tłoczyska, często na skutek bocznego obciążenia lub zanieczyszczenia | Wymień zestaw uszczelek, sprawdź pod kątem zarysowań pręta i bocznego źródła obciążenia |
| Cylinder dryfuje, gdy brakuje powietrza | Wewnętrzne obejście uszczelnienia tłoka umożliwiające przepływ powietrza pomiędzy komorami | Wymień uszczelkę tłoka, sprawdź otwór pod kątem zarysowań |
| Głośny huk na końcu skoku | Brakująca lub zużyta amortyzacja, nadmierna prędkość | Wyreguluj zawór iglicowy poduszki lub dodaj kontrolę przepływu na wydechu |
| Wygięte tłoczysko | Obciążenie boczne przekraczające limity znamionowe, niewspółosiowość | Wymień na cylinder z prowadzeniem lub skoryguj ustawienie mechaniczne |
Większość przedwczesnych awarii cylindrów ma dwie przyczyny: boczne obciążenie tłoczyska spowodowane niewspółosiowym montażem oraz zanieczyszczone powietrze doprowadzające wilgoć lub cząstki stałe do uszczelek. Prawidłowo konserwowany zespół filtr-regulator-smarownica (FRL) umieszczony przed każdym siłownikiem bezpośrednio rozwiązuje drugą przyczynę, a rutynowe kontrole osiowania podczas konserwacji zapobiegawczej rozwiązują pierwszą.
Praktyczna lista kontrolna dotycząca określania nowego cylindra siłownika
Podczas określania nowego siłownika pneumatycznego do projektu lub modernizacji maszyny, należy zapoznać się z poniższymi punktami, aby uniknąć najczęstszych błędów w specyfikacji.
- Oblicz wymaganą siłę przy najniższym oczekiwanym ciśnieniu w rurociągu, a nie przy ciśnieniu nominalnym, ponieważ ciśnienie może spaść w czasie szczytowego zapotrzebowania.
- Wybierz rozmiar otworu z marginesem bezpieczeństwa co najmniej 25% powyżej obliczonego minimalnego zapotrzebowania na siłę.
- Potwierdź, że długość skoku uwzględnia pełny skok mechaniczny oraz odległość amortyzacji na każdym końcu.
- Wybierz cylinder prowadzony, jeśli podczas skoku na tłoczysko zostanie przyłożone obciążenie boczne lub moment obrotowy.
- Dopasuj materiał uszczelki i materiał korpusu do otoczenia, w tym temperatury, wilgotności i narażenia chemicznego.
- Określ typ amortyzacji w oparciu o oczekiwaną prędkość tłoka i masę ładunku.
- Upewnij się, że styl montażu odpowiada ścieżce obciążenia, w linii prostej lub w ruchu obrotowym.
- Dodaj zużycie powietrza przez nową butlę do całkowitego zapotrzebowania systemu i sprawdź wydajność sprężarki.
Przestrzeganie tej kolejności, zamiast zaczynać od numeru katalogowego i cofać się, pozwoli zauważyć różnicę pomiędzy siłownikiem, który działa niezawodnie przez lata, a takim, który staje się elementem wymagającym okresowej konserwacji w ciągu kilku miesięcy od instalacji.
