Przewodnik projektowania cylindrów pneumatycznych: średnica, skok, montaż, amortyzacja i dobór

O czym tak naprawdę decyduje konstrukcja cylindra pneumatycznego

Konstruktor maszyn zamawiający cylinder pneumatyczny zwykle zaczyna od jednej liczby: masy ładunku, jaki musi przesunąć cylinder. Jednak sama konstrukcja cylindra – średnica otworu, rodzina konstrukcji, mocowanie, amortyzacja i system uszczelnień – decyduje o tym, czy obciążenie będzie działać niezawodnie przez dziesięć milionów cykli, czy też ulegnie awarii w ciągu pierwszego roku. Dobra konstrukcja cylindra pneumatycznego nie jest pojedynczą formułą; jest to łańcuch decyzji, z których wszystkie muszą pozostać spójne z wnioskiem.

Odpowiedź jest prosta: konstrukcja cylindra pneumatycznego polega na systematycznym dopasowywaniu średnicy otworu, długości skoku, rodzaju konstrukcji, materiału mocowania, amortyzacji i uszczelnienia do obciążenia, dostępnego ciśnienia powietrza, wymaganego czasu cyklu i środowiska pracy. Gdy te sześć wartości będzie pasować do aplikacji, wszystko inne – wykresy siły, listy akcesoriów, rozmieszczenie czujników – stanie się pracą szczegółową.

Jest to ta sama logika projektowania, co Pneumatyka CKT dotyczy każdej serii cylindrów, którą produkujemy i testujemy we własnym zakresie. Poniższe wskazówki zostały napisane z inżynierskiego punktu widzenia, z liczbami i kompromisami, które mają znaczenie na prawdziwej desce kreślarskiej.

Zacznij od obciążenia: obliczenie rozmiaru otworu i siły

Każdy projekt cylindra zaczyna się od wymaganej siły. Cylinder dwustronnego działania wytwarza siłę poprzez doprowadzenie sprężonego powietrza do powierzchni tłoka, więc teoretyczna siła jest prosta: F = P × A, gdzie P to nadciśnienie w paskalach, a A to efektywna powierzchnia tłoka w metrach kwadratowych. Dla skoku wysuwania A = (π/4) × D².

Sprawdzony przykład zakotwiczenia liczb

Rozważmy cylinder o średnicy 63 mm dostarczany pod ciśnieniem 0,6 MPa. Powierzchnia tłoka wynosi (π/4) × (0,063 m)² = 0,00312 m². Pomnożenie przez 600 000 Pa daje 1870 N teoretycznej siły rozciągającej . Ponieważ uszczelnienia, uszczelnienia prętów i straty ciśnienia w obwodzie pochłaniają energię, siła praktyczna wynosi zwykle 75–90% wartości teoretycznej, więc projektant może polegać na około 1400–1680 N podczas ciągłej pracy. Ten sam rząd wielkości pojawia się na wykresach sił w wytycznych Power & Motion „Czynniki konstrukcyjne cylindrów pneumatycznych” oraz w danych dotyczących doboru stosowanych w całej branży.

Siła wycofania nigdy nie jest taka sama jak siła rozciągania

Podczas skoku powrotnego tłoczysko zajmuje część otworu, więc powierzchnia efektywna jest mniejsza. Otwór o średnicy 63 mm z prętem o średnicy 20 mm ma powierzchnię wycofania wynoszącą (π/4) × (0,063² - 0,020²) = 0,00281 m², co przy 0,6 MPa wytwarza jedynie 1685 N. Jeśli skok powrotny przenosi większe obciążenie, dobierz rozmiar otworu z obudowy cofania, korzystając z obszaru regulowanego pręta — częsty błąd, który objawia się małą prędkością powrotu i przedwczesnym zużyciem uszczelnienia tłoczyska.

Po obliczeniu idealnego otworu dodaj margines projektowy. Współczynnik bezpieczeństwa wynoszący 1,25–1,5 w stosunku do siły teoretycznej jest standardem w zastosowaniach dynamicznych ; margines pochłania wahania ciśnienia, zużycie uszczelek i efekty prędkości, które pojawiają się w rzeczywistych maszynach.

Wybór rodziny konstrukcyjnej, która pasuje do zadania

Konstrukcja cylindra — sposób, w jaki rura, zaślepki końcowe i pręt są ze sobą połączone — określa zakres średnic, jakie może on pokryć, łatwość jego naprawy i tolerowane przez niego obciążenie boczne. Aby uzyskać praktyczny widok części wewnętrznych, bliższe spojrzenie na anatomię cylindrów pneumatycznych wyjaśnia rolę rurki, nakrętki, głowicy, tłoka i uszczelek. Każda z trzech rodzin dominujących we wzornictwie przemysłowym ma odrębną logikę.

Siłowniki z drążkiem kierowniczym: standard przemysłowy

Cylindry ściągające mocują zaślepki za pomocą długich śrub biegnących przez całą długość korpusu. Obejmują najszerszy zakres otworów, zwykle 32–320 mm, można je zdemontować w celu wymiany uszczelki i wytrzymują najwyższe obciążenia wzdłużne. Cylindry z drążkiem kierowniczym serii SC postępuj zgodnie z tą konstrukcją i pozostaje to najczęściej określona rodzina w naszym katalogu, ponieważ jest łatwa w montażu, łatwa w naprawie i łatwa w dopasowaniu do akcesoriów ISO.

Dostawcy cylindrów standardowych serii SC (typ drążka kierowniczego), fabryka OEM/ODM - Zhejiang Pneumatyka CKT is a China wholesale SC Series (Tie Rod Type) Standard Cylinder suppliers and OEM/ODM factory, 1. The piston seal adopts a ... Zobacz produkt →

Siłowniki o okrągłym korpusie: kompaktowe i ekonomiczne

Cylindry o okrągłym korpusie, zwykle o średnicy 8–25 mm, wykorzystują rurę ciągnioną lub walcowaną z gwintowanymi zaślepkami. Są lekkie, niedrogie i idealne do ruchów o krótkim skoku w małych maszynach. Kompromisem jest mniejsza nośność boczna i niewielka lub żadna regulowana amortyzacja, dlatego należy je zarezerwować do zadań związanych z czystym ruchem osiowym.

Cylindry profilowe: przeznaczone do nowoczesnych maszyn wyposażonych w duże czujniki

Cylindry profilowe wykorzystują korpus z wytłaczanego aluminium ze zintegrowanymi portami powietrza i szczelinami czujników. Ich główną zaletą konstrukcyjną jest integracja: przełączniki magnetyczne zatrzaskują się w szczelinach, zawory można umieścić bezpośrednio na korpusie, a płaskie powierzchnie sprawiają, że montaż maszyny jest znacznie czystszy niż w przypadku rur okrągłych. Są one standardem na nowoczesnych liniach montażowych i pakujących, gdzie czujniki, kolektory i osłony są mocowane do samego siłownika.

Długość skoku, prędkość i czas cyklu

Ustaw skok z marginesami, a nie z dokładnym skokiem

Skok nominalny powinien być równy wymaganemu skokowi plus margines na obu końcach, zwykle 5–10 mm na koniec. W zastosowaniach pionowych należy dodać również pełną kompresję poduszki lub zderzaka. Jeżeli pod koniec każdego skoku tłok opadnie na pokrywę końcową, cylinder zużyje się znacznie szybciej, niż sugeruje to jakikolwiek katalogowy czas życia. Skok o 10 mm za krótki może zamienić projekt wymagający 10 milionów cykli w element naprawczy wymagający 200 000 cykli.

Prędkość zależy od całego obwodu, a nie od samego cylindra

Prędkość cylindra ustalana jest wspólnie przez średnicę cylindra, współczynnik przepływu zaworu, wielkość przyłącza i przewód zasilający. Dobrze wyważony obwód uruchamia standardowy cylinder z prędkością około 0,1–0,6 m/s. Jak zauważono w przewodniku projektanta Fluid Power World, można oczekiwać, że tłok z uszczelnieniem w kształcie litery U będzie pracował z prędkościami powyżej 20 cali/s – około 0,5 m/s – bez nadmiernego tarcia lub problemów ze smarowaniem. Jeżeli docelowa prędkość wynosi 1 m/s lub więcej, należy zwiększyć rozmiar zaworu i przeprojektować przyłącze wraz z cylindrem; sam cylinder nie jest w stanie wytworzyć prędkości.

Czas cyklu szacuje się za pomocą prostej procedury:

1. Zdefiniuj skok i dodaj margines obrysu.
2. Ustaw średnią prędkość dla kierunków wysuwania i cofania.
3. Oblicz czas w każdym kierunku jako skok podzielony przez prędkość.
4. Dodaj czas przebywania i czas reakcji zaworu, aby uzyskać pełny czas cyklu.

Jako konkretny przykład, skok o długości 300 mm przy prędkości 0,5 m/s zajmuje 0,6 s w każdym kierunku; przy przerwie wynoszącej 0,2 s, pełny cykl rozsunięcia-wysunięcia wynosi około 1,4 s, co odpowiada w przybliżeniu 43 cyklom/min. Jeśli maszyna wymaga 60 cykli/min, albo prędkość musi wzrosnąć do około 0,6 m/s w każdą stronę, albo skok musi się zmniejszyć – a obie zmiany wpływają na rozmiar zaworu, amortyzację i sztywność montażu.

Style montażu i koszty niewspółosiowości

Cztery rodziny montażu, cztery zachowania w zakresie wyrównania

• Mocowania stóp są najprostsze i najtańsze, ale korpus może uginać się pod obciążeniem, więc ustawienie zależy całkowicie od ramy maszyny.
• Mocowania kołnierzowe (głowica lub tył) są sztywne i nadają się do zastosowań wymagających dużego ciągu, w których korpus cylindra nie może się poruszać.
• Mocowania Clevisa pozwolić, aby cylinder obracał się w jednej płaszczyźnie, co jest niezbędne, gdy pręt porusza się po łuku przez połączenie.
• Mocowania czopowe (środkowe lub tylne) podtrzymują korpus po obu stronach i stanowią najlepszy wybór w przypadku ciężkich cylindrów wymagających kontrolowanego obrotu.

Obciążenia boczne są najczęstszą przyczyną niepowodzeń konstrukcyjnych cylindra

Jeżeli linia naporu nie przebiega wzdłuż linii środkowej drążka, drążek i przednie łożysko muszą przyjąć moment zginający. Nawet siła poprzeczna równa zaledwie kilku procent ciągu znamionowego wymiernie skraca żywotność łożyska i uszczelnienia. Właśnie dlatego zarówno wytyczne Machine Design, jak i czynniki konstrukcyjne cylindrów firmy Power & Motion nalegają na utrzymanie ciągu cylindra jak najbliżej linii środkowej tłoczyska.

Kiedy geometria wymusza przesunięcie, właściwą odpowiedzią jest konstrukcja z prowadzeniem — cylinder wieloosiowy, cylinder przesuwny lub cylinder kompaktowy z drążkiem prowadzącym — zamiast po prostu wybierać większy cylinder standardowy. Większy otwór wytwarza większą siłę, ale nie poprawia momentu zginającego.

Kompaktowa konstrukcja cylindra do ciasnych przestrzeni

Gdy obudowa maszyny jest stała, standardowym rozwiązaniem są cylindry kompaktowe. Kierują się tą samą logiką siły, co cylindry pełnowymiarowe, ale tłok i tłoczysko mieszczą się w krótkim korpusie, zwykle zbudowanym zgodnie z normą ISO21287. Głównym kompromisem projektowym jest skok: bardzo krótki korpus nie jest w stanie prowadzić długiego tłoczyska bez dodatkowego podparcia łożyska, więc większość kompaktowych konstrukcji najlepiej sprawdza się przy skokach poniżej około 100–150 mm.

Gdzie kompaktowe cylindry zarabiają na swoją przestrzeń

Zaciskanie, indeksowanie, podawanie i wyrzucanie części to zadania wymagające krótkiego skoku i wymagające dużej liczby cykli. Wymiana cylindra z drążkiem kierowniczym na zwarty korpus pozwala zaoszczędzić 30–50 mm na oś; na maszynie sześcio- lub ośmioosiowej zapis ten zmienia całą ramę i układ osłon. Kompaktowy korpus zmniejsza również poruszającą się masę, co obniża energię kinetyczną na końcu skoku i umożliwia szybszą pracę cykliczną z tym samym zaworem.

Funkcję prowadzenia należy oddzielić od funkcji siły

Ponieważ kompaktowy korpus zapewnia ograniczone wsparcie pręta, nigdy nie należy oczekiwać, że kompaktowy cylinder przejmie momenty zginające. Do czystego ruchu osiowego w zupełności wystarczy zwykły, zwarty korpus — Kompaktowe cienkie cylindry serii CQ2 dobrze radzą sobie z zaciskaniem i pchaniem. Ilekroć projekt generuje obciążenie pozaosiowe lub momentowe, należy przejść na wariant z prowadzeniem, taki jak CQM z drążkiem prowadzącym, lub na rodzinę cylindrów przesuwnych wyposażonych we własną prowadnicę liniową.

Dostawcy cienkich cylindrów serii CQ2, fabryka OEM / ODM - Zhejiang CKT Pneumatic Co. Pneumatyka CKT is a China wholesale CQ2 Series Thin Cylinder suppliers and OEM/ODM factory, 1. The magnetic switch does not protrude: prev... Zobacz produkt →

Konstrukcja cylindra beztłoczyskowego zapewniająca długie skoki

Siłowniki beztłoczyskowe rozwiązują klasyczny problem konstrukcyjny: przemieszczanie ładunku przy długim skoku bez wystania pręta z maszyny. Ponieważ wózek porusza się wraz z tłokiem, długość montażowa jest w przybliżeniu o połowę mniejsza niż w przypadku cylindra prętowego o tym samym skoku. Istnieją dwie rodziny projektów, a wybór pomiędzy nimi stanowi prawdziwy kompromis inżynieryjny.

Cylindry beztłoczyskowe sprzężone magnetycznie

W konstrukcji magnetycznej tłok wyposażony w silne magnesy ciągnie zewnętrzny wózek przez ściankę rury. Brak mechanicznej szczeliny sprawia, że ​​konstrukcja jest czysta i ekonomiczna, ale sprzęgło może się ślizgać, gdy wózek napotka obciążenie udarowe lub wytrzyma dużą masę pionową. Siłowniki te nadają się do lekkich prac manipulacyjnych i prac typu pick-and-place, przy skokach zwykle do 2–3 metrów.

Siłowniki beztłoczyskowe połączone mechanicznie

Mechanicznie połączony cylinder łączy tłok bezpośrednio z wózkiem poprzez szczelinę uszczelnioną opaską ze stali nierdzewnej. Przenosi większe siły w obu kierunkach i nie ślizga się, co jest istotne przy ruchach pionowych. Siłowniki beztłoczyskowe MY1B z przegubem mechanicznym są reprezentatywnym przykładem tej rodziny dla projektantów, którzy potrzebują powtarzalnego pozycjonowania przy większych ładunkach.

Dostawcy mechanicznych cylindrów beztłoczyskowych serii MY1B (typ podstawowy), OEM/ODM Fa Pneumatyka CKT is a China wholesale MY1B Series Mechanical Joint Rodless Cylinder (Basic Type) suppliers and OEM/ODM factory, MY1B Series ... Zobacz produkt →

Amortyzacja: projektowanie wstrząsów na końcu skoku

Koniec skoku to miejsce, w którym następuje największe zużycie mechaniczne. Na pokrywie końcowej tłok musi rozproszyć energię kinetyczną E = 0,5 × m × v². Wózek o masie 50 kg poruszający się z prędkością 0,5 m/s niesie 6,25 dżuli energii kinetycznej ; bez amortyzacji energia ta jest pochłaniana w ciągu milisekund przez nasadkę i uszczelki.

Praktyczna zasada: poniżej 0,1 m/s przy małych obciążeniach wystarczy zderzak gumowy lub poliuretanowy; od 0,1 do 0,5 m/s przy umiarkowanych obciążeniach, w standardzie regulowane poduszki pneumatyczne; przy wyższych prędkościach lub przy dużych obciążeniach należy zamontować zewnętrzny amortyzator hydrauliczny. Dopasowanie amortyzacji do rzeczywistej energii kinetycznej jest częścią konstrukcji cylindra, a nie refleksją.

Uszczelki, temperatura i jakość powietrza

Materiał uszczelnienia określa okno operacyjne

W standardowych cylindrach stosowane są uszczelki NBR, zwykle o temperaturze znamionowej od -20°C do 80°C. Uszczelnienia FKM (Viton) rozszerzają górną granicę do około 200°C, co ma znaczenie w liniach suszących i zastosowaniach na drzwiach pieca. Wycieraczki poliuretanowe są powszechnym dodatkiem w zapylonych środowiskach. Konstrukcja uszczelnienia wpływa również na prędkość: uszczelki typu U-cup zapewniają dobre uszczelnienie przy niskich prędkościach, natomiast dynamiczne pierścienie typu O-ring są preferowane w przypadku szybkiej jazdy na rowerze, ponieważ generują mniejsze tarcie.

Brudne powietrze skraca żywotność cylindra bardziej niż cokolwiek innego

Większość zużycia cylindrów zaczyna się od zanieczyszczonego sprężonego powietrza. Woda, resztki oleju sprężarkowego i drobne cząstki uderzają w rurę i niszczą uszczelki tłoczyska. Instalacja modułowego F.R.L. Urządzenie z filtrem 5 µm i odpowiednią separacją wilgoci w miejscu użytkowania bardziej wydłuży żywotność butli niż zmiana marki butli. Ciśnienie, przepływ i uszczelnienie należy traktować jako system, zaczynając od jednostki przygotowania powietrza, a kończąc na króćcu wylotowym.

Normy kształtujące konstrukcję cylindrów pneumatycznych

Projektowanie uwzględnia także wymienność. Prawie każdy cylinder pneumatyczny sprzedawany na całym świecie jest zgodny z jedną z trzech norm wymiarowych ISO, a rodzina konstrukcji jest zwykle podyktowana tą normą. Poniższe zakresy średnic odzwierciedlają powszechną interpretację branżową stosowaną w wytycznych referencyjnych w przeglądzie cylindrów pneumatycznych Tameson i w równoważnych źródłach.

Zakup cylindra zgodnego z normą ISO oznacza, że jednostka zamienna innej marki będzie zazwyczaj montowana w tych samych mocowaniach bez konieczności ponownego rysowania maszyny. Natomiast niestandardowy skok lub niestandardowa długość tłoczyska zwykle oznacza dłuższy czas realizacji i wyższą cenę, dlatego przed zamrożeniem projektu sprawdź katalogowy zakres skoku. Z ponad dwie dekady doświadczenia w produkcji elementów pneumatycznych , budujemy naszą gamę cylindrów standardowych i cienkich zgodnie z tymi konwencjami, aby klienci mogli zmieniać dostawców bez konieczności zmiany montażu.

Lista kontrolna zamówienia wstępnego dotycząca projektu cylindra pneumatycznego

Zanim naprawisz model cylindra, przejrzyj tę listę kontrolną. Każdy element stanowi dane wejściowe do projektu i pominięcie jednego zwykle objawia się awarią na miejscu lub kosztownym zleceniem zmiany.

• Obciążenie osiowe dla wysuwania i wsuwania plus współczynnik bezpieczeństwa 1,25–1,5.
• Ciśnienie zasilania dostępne w porcie cylindra, a nie tylko w sprężarce.
• Długość skoku równe skokowi plus marginesy końcowe.
• Prędkość i czas cyklu , przy czym Cv zaworu i rozmiary przyłączy są sprawdzane jako jeden obwód.
• Rodzina montażowa dobrane ze względu na kierunek ciągu i geometrię maszyny.
• Obciążenia boczne wyeliminowane lub przeniesione na konstrukcję cylindra prowadzonego.
• Amortyzacja dopasowana do energii kinetycznej na końcu skoku.
• Środowisko : zakres temperatur, wilgotność, zmywanie lub narażenie na kurz.
• Wykrywanie pozycji : tłok magnetyczny z wyłącznikiem magnetycznym lub zewnętrzny czujnik liniowy.
• Plan konserwacji : drążek kierowniczy nadający się do regeneracji lub wymienny cylinder nabojowy.

Często zadawane pytania dotyczące konstrukcji cylindrów pneumatycznych

Jak obliczyć siłę, jaką może wytworzyć cylinder pneumatyczny?

Użyj F = P × A, gdzie A jest efektywną powierzchnią tłoka. Dla otworu o średnicy 63 mm przy 0,6 MPa teoretyczna siła rozciągająca wynosi 1870 N. W praktyce należy zastosować sprawność 75–90%, aby uwzględnić tarcie uszczelnienia, a następnie zastosować współczynnik bezpieczeństwa 1,25–1,5 dla obciążeń dynamicznych.

Jakiego rozmiaru otworu potrzebuję do obciążenia 500 kg?

Obciążenie o masie 500 kg wywierające około 4900 N wymaga około 6125 N siły teoretycznej przy 0,6 MPa, przy założeniu sprawności wynoszącej 80%. Otwór o średnicy 100 mm daje 4712 N, co nie wystarczy; otwór o średnicy 125 mm daje 7363 N, co jest wystarczające. Zawsze sprawdzaj także skok cofania, ponieważ pręt zmniejsza efektywny obszar.

Która konstrukcja cylindra jest najlepsza dla długich skoków?

Cylindry beztłoczyskowe są najlepszym wyborem w przypadku skoków powyżej około 500 mm, ponieważ długość montażowa jest o około połowę krótsza w przypadku siłownika prętowego. Użyj konstrukcji ze sprzężeniem magnetycznym, aby zapewnić lekką i czystą obsługę, oraz konstrukcji z przegubem mechanicznym dla cięższych ładunków lub ruchów pionowych, gdzie poślizg jest niedopuszczalny.

Dlaczego mój cylinder ulega awarii w wyniku obciążenia bocznego, mimo że siła jest prawidłowa?

Ponieważ obciążenie boczne wytwarza moment zginający na drążku i przednim łożysku, którego żadna siła osiowa nie jest w stanie skompensować. Nawet siła poprzeczna wynosząca kilka procent ciągu znamionowego skraca żywotność łożyska i uszczelnienia. Rozwiązaniem jest utrzymanie ciągu w jednej linii z linią środkową pręta lub zastosowanie konstrukcji cylindra z prowadzeniem.

Czy standardowy cylinder pneumatyczny może utrzymać obciążenie w połowie skoku?

Nie. Sprężone powietrze jest ściśliwe, więc standardowy cylinder dwustronnego działania nie może utrzymać ustalonej pozycji pod zmiennym obciążeniem. Jeśli wymagane jest utrzymanie w połowie skoku, należy zastosować mechaniczną blokadę pręta, cylinder blokujący lub hamulec zewnętrzny.

Jaka jest różnica między konstrukcjami cylindrów jednostronnego i podwójnego działania?

Cylinder jednostronnego działania wykorzystuje powietrze do poruszania się w jednym kierunku i sprężynę do powrotu, co upraszcza obwód, ale ogranicza skok i zużywa energię sprężyny na powrocie. Cylinder dwustronnego działania wykorzystuje powietrze w obu kierunkach, zapewniając pełną kontrolę nad siłą, prędkością i amortyzacją w obu kierunkach — standardowy wybór w przypadku większości automatyzacji.