Cylinder jednostronnego działania a cylinder dwustronnego działania: kluczowe różnice

Cylinder jednostronnego działania a cylinder dwustronnego działania: krótka odpowiedź

Jeśli potrzebujesz szybkiego wyroku: cylinder dwustronnego działania zapewnia napędzany ruch w obu kierunkach, podczas gdy cylinder jednostronnego działania wykorzystuje sprężone powietrze tylko w jednym suwie, a powrót opiera się na sprężynie lub grawitacji. Ta pojedyncza różnica kształtuje każdy aspekt wyboru, montażu i konserwacji cylindra pneumatycznego w prawdziwym układzie pneumatycznym.

W zastosowaniach, w których liczy się precyzyjna kontrola, większa siła wyjściowa w obu kierunkach i stała prędkość zarówno podczas wysuwania, jak i cofania – takich jak uchwyty zaciskowe, oprzyrządowanie prasowe i systemy przenoszenia liniowego – siłownik pneumatyczny dwustronnego działania jest prawie zawsze właściwym wyborem. W przypadku prostszych zadań, takich jak zaciskanie ze sprężyną powrotną, uruchamianie zaworów lub innych zadań, w których wystarczy jeden skok napędzany, cylinder jednostronnego działania znacznie zmniejsza koszty, złożoność i zużycie powietrza.

W poniższych sekcjach opisano, jak każdy typ działa na poziomie mechanicznym, gdzie w praktyce pojawiają się rzeczywiste różnice w wydajności i jak dokonać właściwego wyboru dla konkretnego systemu.

Jak jedno działanie Cylinder pneumatyczny Działa

Cylinder jednostronnego działania ma jeden port ciśnieniowy. Kiedy sprężone powietrze dostaje się do środka, popycha tłok w jednym kierunku — zazwyczaj jest to skok wysuwania. Suw powrotny jest napędzany przez ściśniętą sprężynę śrubową umieszczoną wewnątrz korpusu cylindra lub w niektórych konfiguracjach przez ciężar samego ładunku.

Sprężyna jest fabrycznie napięta na określoną wartość siły. Standardowe cylindry jednostronnego działania wykorzystują siły sprężyny w zakresie od zgrubnego 8 N do 60 N w zależności od średnicy otworu i długości skoku. Siła sprężyny działa przeciw ciśnieniu powietrza podczas suwu mocy, co oznacza, że ​​efektywna siła wyjściowa na końcu drążka jest niższa niż ta, którą wytworzyłoby samo ciśnienie powietrza.

W przypadku cylindra jednostronnego działania o średnicy 50 mm pracującego pod ciśnieniem 6 barów (87 psi) teoretyczna siła wynosi około 1178 N. Po odjęciu typowej siły sprężyny wynoszącej 25 N i uwzględnieniu tarcia uszczelnienia (zwykle 5–10% siły teoretycznej) rzeczywista siła pręta dostępna do pracy spada do około 1030–1050 N . Odliczenie to staje się bardziej znaczące przy mniejszych średnicach otworów, gdzie siła sprężyny stanowi większy procent całkowitej dostępnej siły.

Kluczowe komponenty wewnętrzne

• Pojedynczy port powietrza (zwykle na końcu pokrywy w przypadku cylindrów typu pchającego)
• Sprężyna powrotna umieszczona pomiędzy powierzchnią tłoka a pokrywą końcówki drążka
• Otwór odpowietrzający lub odpowietrznik po stronie sprężyny, aby zapobiec wzrostowi ciśnienia
• Pojedyncze uszczelnienie tłoka (jedno dynamiczne miejsce uszczelnienia)
• Uszczelniacz pręta przy głowicy cylindrów

Otwór odpowietrzający jest często pomijany podczas instalacji, ale ma kluczowe znaczenie. Jeśli zostanie zablokowany przez zanieczyszczenia lub zostanie przypadkowo zatkany, powietrze uwięzione po stronie sprężyny wytwarza przeciwciśnienie, które zmniejsza siłę rozciągającą i w nieprzewidywalny sposób spowalnia prędkość skoku.

Jak działa cylinder pneumatyczny dwustronnego działania

Cylinder dwustronnego działania ma dwa porty powietrza – jeden na końcu korka i jeden na końcu tłoczyska. Aby wysunąć pręt, sprężone powietrze wpływa do portu na końcu tłoczyska, podczas gdy port na końcu pręta jest wylotowy. Aby się wycofać, następuje przełączenie zasilania: powietrze dostaje się do końca drążka, podczas gdy koniec kołpaka jest wydychany. Kierunkowy zawór sterujący (zwykle zawór elektromagnetyczny 5/2 lub 4/2) zarządza tym przełączaniem.

Ponieważ nie ma siły pochłaniającej sprężynę powrotną, pełna siła pneumatyczna jest dostępna w obu kierunkach . Należy jednak zrozumieć ważną asymetrię: powierzchnia otworu na końcu tłoczyska jest mniejsza niż powierzchnia otworu na końcu korbowodu, ponieważ przechodzi przez nią tłoczysko. Oznacza to, że siła wycofania jest zawsze nieco niższa niż siła rozciągania przy tym samym ciśnieniu zasilania.

Dla cylindra dwustronnego działania z otworem 63 mm i średnicą tłoczyska 20 mm, pracującego pod ciśnieniem 6 barów:

• Siła rozciągająca (koniec nasadki): π/4 × 63² × 6 = około 1871 N
• Siła odciągania (końcówka drążka): π/4 × (63² – 20²) × 6 = około 1682 N

Ta około 10–12% różnica siły między wysuwaniem a cofaniem jest stała dla wszystkich rozmiarów otworów i jest standardowym czynnikiem w obliczeniach wymiarów cylindrów dwustronnego działania. Jeśli skok wycofania niesie ze sobą znaczne obciążenie, należy dobrać rozmiar cylindra na podstawie siły wycofania, a nie siły rozciągania.

Kluczowe komponenty wewnętrzne

• Dwa porty powietrza (koniec pokrywy i koniec drążka)
• Uszczelnienia tłoka z podwójną wargą lub pierścieniem U po obu stronach tłoka
• Uszczelka tłoczyska i wycieraczka przy głowicy cylindrów
• Brak sprężyny — dostępna jest pełna długość otworu wewnętrznego dla skoku
• Opcjonalne poduszki wewnętrzne w obu pozycjach końcowych

Porównanie bezpośrednie: cylinder jednostronnego działania i siłownik dwustronnego działania

Siła wyjściowa: gdzie liczby naprawdę się różnią

Obliczanie siły to miejsce, w którym inżynierowie najczęściej popełniają kosztowne błędy przy porównywaniu tych dwóch typów cylindrów. Wzory wyglądają podobnie na powierzchni, ale odejmowanie sprężyny w cylindrze jednostronnego działania wprowadza zmienną, która zmienia się wraz z położeniem skoku.

Siła sprężyny śrubowej jest zgodna z prawem Hooke'a: siła rośnie liniowo w miarę ściskania. To oznacza efektywna siła wyjściowa cylindra jednostronnego działania zmienia się w trakcie skoku . Na początku rozciągania sprężyna znajduje się w pobliżu swojej swobodnej długości i stawia minimalny opór. Przy pełnym rozciągnięciu całkowicie się ściska i wywiera maksymalny opór — odejmując największą siłę od mocy wyjściowej dokładnie w momencie, gdy pręt styka się z przedmiotem obrabianym.

Rozważmy cylinder jednostronnego działania o średnicy 40 mm i skoku 100 mm przy ciśnieniu zasilania 5 barów:

• Teoretyczna siła pneumatyczna: ~628 N
• Siła sprężyny na początku rozciągania: ~10 N (w pobliżu długości swobodnej)
• Siła sprężyny przy pełnym rozciągnięciu: ~35 N (całkowicie ściśnięta)
• Efektywny zakres siły: około 580–615 N przez udar

W przypadku cylindra dwustronnego działania o tej samej średnicy 40 mm i ciśnieniu 5 barów siła rozciągająca wynosi ~628 N przez cały skok (minus tarcie uszczelnienia, które jest w przybliżeniu stałe). Ta spójność ma ogromne znaczenie w zastosowaniach takich jak prasowanie, formowanie lub zaciskanie, gdzie siła na końcu skoku jest krytycznym parametrem projektowym.

Skok powrotny cylindra jednostronnego działania jest regulowany całkowicie przez sprężynę. Może wytworzyć się sprężyna zaprojektowana tak, aby cofać tłok przed tarciem uszczelki i niewielkim obciążeniem 15–50 N siły netto w zależności od wielkości cylindra. Porównaj to z siłą powrotną cylindra dwustronnego działania wynoszącą kilkaset niutonów, a stanie się jasne, dlaczego cylindry jednostronnego działania nie nadają się do zastosowań, w których wycofanie musi pokonać znaczny opór lub szybko przemieszczać ładunek.

Różnice w kontroli prędkości między dwoma typami

Sterowanie prędkością w układach pneumatycznych odbywa się poprzez ograniczenie przepływu powietrza wywiewanego z cylindra za pomocą zaworów sterujących przepływem (konfiguracja z licznikiem na wyjściu) lub ograniczenie przepływu powietrza nawiewanego (konfiguracja z licznikiem na wejściu). Generalnie preferowane jest sterowanie licznikiem ponieważ zapewnia bardziej stabilną, niezależną od obciążenia regulację prędkości.

W przypadku cylindra pneumatycznego dwustronnego działania należy zainstalować zawory sterujące przepływem na obu portach. Zapewnia to niezależną regulację prędkości wysuwania i cofania — można na przykład uruchomić wysuwanie z prędkością 200 mm/s, a cofanie z prędkością 500 mm/s, za pomocą prostych regulacji zaworów. Ta niezależna kontrola jest cenna w automatyce o dużej liczbie cykli, gdzie ważna jest optymalizacja czasu cyklu.

W przypadku cylindra jednostronnego działania można dozować i odprowadzać powietrze po stronie pod ciśnieniem, aby kontrolować prędkość wysuwania. Jednakże, prędkość powrotu jest ustalana przez siłę sprężyny i obciążenie . Jeśli sprężyna jest sztywna, a obciążenie niewielkie, tłok gwałtownie cofa się, powodując obciążenie udarowe na zaślepce. Jeśli sprężyna jest miękka, a obciążenie duże, powrót może być zbyt wolny lub niekompletny. Nie można po prostu obrócić zaworu, aby spowolnić powrót cylindra ze sprężyną powrotną — wymaga to wymiany samej sprężyny lub dodania dedykowanej poduszki.

W praktyce powoduje to, że cylindry jednostronnego działania słabo nadają się do zastosowań ze zmiennym obciążeniem skoku powrotnego lub tam, gdzie prędkość powrotu musi być dostosowana do procesu. Linie pakujące, zrobotyzowane oprzyrządowanie na końcach ramion i przenośniki transferowe zazwyczaj wymagają niezależnego ustawienia obu prędkości skoku, co zdecydowanie stawia większość tych zastosowań na obszarze podwójnego działania.

Zużycie powietrza: porównanie kosztów sprężonego powietrza

Sprężone powietrze jest jednym z najdroższych mediów w zakładzie produkcyjnym. Oszacowały to badania przeprowadzone przez organizacje takie jak Departament Energii Stanów Zjednoczonych Instalacje sprężonego powietrza odpowiadają za 20–30% zużycia energii elektrycznej w przemyśle i siłowniki pneumatyczne są głównymi odbiorcami w tych systemach. Zrozumienie różnicy w zużyciu powietrza pomiędzy cylindrami jednostronnego i dwustronnego działania nie jest zatem ćwiczeniem akademickim — ma bezpośredni wpływ na koszty operacyjne.

Cylinder jednostronnego działania zużywa sprężone powietrze tylko podczas suwu mocy. Suw powrotny napędzany jest przez sprężynę, a powietrze ze strony suwu mocy po prostu jest usuwane do atmosfery. W jednym pełnym cyklu objętość zużytego powietrza jest równa powierzchni otworu pomnożonej przez długość skoku, skorygowaną o stopień sprężania przy ciśnieniu zasilania.

Cylinder dwustronnego działania zużywa powietrze podczas obu suwów. Jednakże, ponieważ powierzchnia otworu na końcu tłoczyska jest mniejsza niż na końcu, objętość zużywana w suwie wycofania jest nieco mniejsza niż w suwie wysuwania. Całkowite zużycie powietrza na cykl jest w przybliżeniu 1,7 do 1,9 razy powietrze zużywane przez równoważny cylinder jednostronnego działania, w zależności od średnicy tłoczyska.

Konkretny przykład: cylinder dwustronnego działania o średnicy 50 mm i skoku 100 mm, pracujący pod ciśnieniem 6 barów i pracujący z częstotliwością 60 razy na minutę, zużywa około:

• Końcówka nasadki na skok: (π/4 × 0,05²) × 0,1 × (6 1) = ~1,37 litra (wolne powietrze) na skok
• Końcówka drążka na skok (przy założeniu tłoczyska 20 mm): około 1,09 litra na skok
• Razem na minutę przy 60 cyklach: ~146 litrów/min wolnego powietrza

Równoważny cylinder jednostronnego działania zużywałby około 82 litrów/min. W przypadku maszyny wyposażonej w 20 takich cylindrów, pracującej na dwie zmiany, roczna różnica w kosztach energii elektrycznej staje się mierzalna. W przypadku stosowania dużej liczby cylindrów lub gdy cylindry pracują przy długich skokach lub przy dużej częstotliwości cykli, różnica w zużyciu powietrza znacząco wpływa na ekonomikę eksploatacji — nawet jeśli cylinder dwustronnego działania jest poza tym lepszy technicznie.

Ograniczenia długości skoku: dlaczego cylindry jednostronnego działania kończą się wcześnie

Wewnętrzna sprężyna powrotna w cylindrze jednostronnego działania fizycznie ogranicza długość skoku. Wraz ze wzrostem długości skoku potrzebna jest dłuższa sprężyna, co wymaga dłuższego korpusu cylindra, a dłuższe sprężyny trudniej utrzymać stabilnie i prawidłowo prowadzić w otworze. Zwiększają także długość całego cylindra, nawet w pozycji złożonej.

Większość producentów oferuje cylindry jednostronnego działania o maksymalnym skoku od 25 mm do 200 mm. Niektóre konstrukcje specjalne osiągają wysokość 300 mm. Poza tym sprężyna staje się niepraktyczna. Jeśli Twoje zastosowanie wymaga skoku 400 mm, 600 mm lub 1000 mm, siłownik dwustronnego działania jest jedyną realną opcją w standardowym asortymencie cylindrów pneumatycznych.

To ograniczenie wpływa również na siłę: wraz ze wzrostem skoku rośnie również ściskanie sprężyny przy pełnym rozciągnięciu, co oznacza, że ​​do pokonania sprężyny pod koniec skoku zużywa się więcej siły. W przypadku skoków dłuższych niż około 100–150 mm w konstrukcji jednostronnego działania odejmowanie siły sprężyny zaczyna stanowić znaczny procent całkowitej dostępnej siły pneumatycznej, szczególnie w przypadku małych rozmiarów otworów.

Zachowanie bezpieczne w przypadku awarii: kluczowa kwestia bezpieczeństwa

Jedną z najbardziej praktycznych różnic między tymi dwoma typami cylindrów jest to, co dzieje się w przypadku utraty dopływu powietrza – czy to z powodu awarii sprężarki, zatrzymania awaryjnego, czy pęknięcia przewodu.

Cylinder jednostronnego działania ze sprężyną powrotną automatycznie powróci do położenia po stronie sprężyny, gdy ciśnienie spadnie. Jeśli cylinder jest skonfigurowany do mocowania przedmiotu obrabianego podczas suwu siłowego (przedłużenia), utrata powietrza powoduje jego zwolnienie. Jeśli jest skonfigurowany z rozciągliwą sprężyną (którą niektóre konstrukcje oferują w celu bezpiecznego mocowania), utrata powietrza powoduje jego zaciskanie. To deterministyczne zachowanie zostało celowo zaprojektowane do zastosowań związanych z bezpieczeństwem.

W osłonach maszyn, mechanizmach zwalniania hamulców i wyłącznikach awaryjnych często wykorzystuje się cylindry jednostronnego działania właśnie dlatego, że ich niezawodne zachowanie jest przewidywalne i gwarantowane przez sprężynę, a nie sygnał elektryczny lub położenie zaworu.

Z kolei cylinder dwustronnego działania utrzymuje swoje ostatnie położenie w przypadku utraty powietrza – jeśli zawór kierunkowy jest zaworem zatrzaskowym lub centrowanym sprężynowo, który blokuje oba porty. Jest to czasami pożądane (nie chcesz, aby obciążona oś spadła), ale może być również niebezpieczne, jeśli cylinder znajdował się w trakcie operacji zaciskania lub prasowania, gdy zabrakło powietrza.

Normy bezpieczeństwa, w tym ISO 13849 i IEC 62061, wymagają od projektantów maszyn analizy i dokumentowania zachowania wszystkich siłowników w warunkach usterek. Wybór pomiędzy cylindrem jednostronnego i dwustronnego działania jest bezpośrednio związany z tą analizą, a bezawaryjna charakterystyka typu jednostronnego działania często zapewnia mu miejsce w obwodach o znamionach bezpieczeństwa, nawet jeśli w przeciwnym razie mógłby zostać zastosowany cylinder dwustronnego działania ze względu na jego większą sterowalność.

Typowe obszary zastosowań dla każdego typu cylindra

Gdzie cylindry jednostronnego działania wyróżniają się

• Pneumatyczne siłowniki zaworów: Zawory kulowe ćwierćobrotowe i zasuwy często wykorzystują cylindry jednostronnego działania ze sprężyną powrotną, więc zawór nie osiąga znanego bezpiecznego położenia (otwarty lub zamknięty), gdy spada ciśnienie powietrza.
• Oprawy mocujące z krótkim skokiem: Trzymanie detali podczas obróbki, gdzie siła skrawania jest zawsze skierowana w jednym kierunku, a zacisk musi zostać zwolniony (wycofany) jedynie pod niewielkim obciążeniem.
• Sterowanie drzwiami i włazami: Gdzie powrót sprężyny zapewnia zamknięcie w przypadku awarii zasilania.
• Bramy sortujące i przekierowujące: Proste bramki klapowe na przenośnikach, gdzie jeden kierunek jest zawsze domyślny, a drugi to sterowanie mechaniczne.
• Włączenie hamulca i sprzęgła: Hamulce sprężynowe do zatrzymywania awaryjnego — hamulec włącza się w przypadku utraty powietrza.

Tam, gdzie wymagane są cylindry dwustronnego działania

• Automatyzacja pick-and-place: Zarówno wysuwanie, jak i cofanie muszą być napędzane, sterowane prędkością i być w stanie wytrzymać części o zmiennym ciężarze.
• Operacje prasowania i formowania: Duża siła w obu kierunkach; powrót musi pokonać sprężynę powrotną przedmiotu obrabianego lub opór wypychacza.
• Transfer liniowy o długim skoku: Każdy skok przekraczający 200 mm wymaga cylindra pneumatycznego dwustronnego działania.
• Zastosowania cylindrów beztłoczyskowych: Beztłoczyskowe cylindry pneumatyczne są z natury dwustronnego działania i są używane do poziomego przenoszenia na duże odległości, gdzie konwencjonalny cylinder prętowy byłby niepraktycznie długi.
• Stoły uchylno-obrotowe: Zarówno przechylenie, jak i odwrócenie stołu wymaga kontrolowanej siły.
• Aplikacje wysokocyklowe powyżej 60 cykli/min: Tam, gdzie prędkość wycofywania musi być precyzyjnie dostrojona, aby utrzymać czas cyklu bez obciążenia udarowego.

Wymagania dotyczące zaworu sterującego: 3/2 vs 5/2

Różnica w portach powietrza pomiędzy cylindrami jednostronnego i dwustronnego działania bezpośrednio określa wymagany zawór sterujący, co wpływa na okablowanie, konstrukcję kolektora i koszt.

A Zawór 3/2 (3 porty, 2 pozycje) jest wystarczająca dla cylindra jednostronnego działania. W jednej pozycji łączy zasilanie z portem butli. W drugim położeniu łączy otwór cylindra z wydechem. Resztę załatwia sprężyna. Zawór 3/2 jest fizycznie mniejszy i zazwyczaj o 20–40% tańszy niż zawór 5/2. Wymaga to również prostszego bloku kolektora, gdy wiele zaworów jest ze sobą połączonych.

A Zawór 5/2 (5 portów, 2 pozycje) jest standardem dla cylindra dwustronnego działania. W jednym położeniu zasilanie trafia do końca kołpaka, a koniec drążka do wydechu. W drugim położeniu zasilanie idzie do końca drążka, a koniec kołpaka do wylotu. W dwóch otworach wylotowych zwykle instaluje się zawory sterujące przepływem w celu regulacji prędkości.

W systemach o wielu osiach – na przykład w maszynie montażowej z 20 stanowiskami – skumulowana różnica kosztów pomiędzy zaworami 20 3/2 i 20 zaworami 5/2 może być znacząca. W przypadku mniejszych cylindrów w prostych zastosowaniach ta różnica w kosztach często uzasadnia wybór cylindra jednostronnego działania, nawet jeśli cylinder dwustronnego działania może zapewniać nieznacznie lepszą wydajność.

Zauważ też, że Zawory 5/2 są dostępne ze sprężyną powrotną, blokadą (pamięcią) lub uruchamianiem podwójnym elektromagnesem , z których każdy oferuje inne zachowanie w stanie awarii. Wybór typu zaworu współdziała z typem butli, określając zachowanie bezpieczeństwa na poziomie systemu – coś, co należy przeanalizować na etapie projektowania, a nie później.

Różnice w utrzymaniu w praktyce

Jeśli chodzi o liczbę uszczelek, cylinder jednostronnego działania ma mniej dynamicznych powierzchni uszczelniających niż cylinder dwustronnego działania. Mniej uszczelek oznacza ogólnie mniej ścieżek wycieków i nieco mniejszą częstotliwość wymiany uszczelek. Jednakże sprężyna w cylindrze jednostronnego działania jest dodatkowym elementem zużywającym się, który nie występuje w konstrukcji dwustronnego działania.

Sprężyny w cylindrach pneumatycznych wytrzymują miliony cykli, ale ulegają zmęczeniu. Sprężyna, która utraciła napięcie, spowoduje powolny, niecałkowity lub żaden powrót cylindra. W maszynie pracującej 24 godziny na dobę z szybkością 60 cykli na minutę cylinder dopełnia się 86 milionów cykli rocznie . Zmęczenie sprężyny przy takiej częstotliwości cykli jest prawdziwym problemem związanym z konserwacją, szczególnie w cylindrach o krótszym skoku, gdzie ściskanie sprężyny na cykl stanowi większą część całkowitego skoku sprężyny.

W przypadku cylindrów dwustronnego działania głównym problemem związanym z konserwacją jest zużycie uszczelek. Nowoczesne uszczelnienia tłoków na bazie poliuretanu i PTFE zazwyczaj są trwałe 50 do 100 milionów cykli w normalnych warunkach pracy, za pomocą czystego, nasmarowanego lub niezaolejonego, suchego powietrza. Zanieczyszczone powietrze jest najczęstszą przyczyną przedwczesnego uszkodzenia uszczelnienia w obu typach cylindrów.

Na szczególną uwagę zasługuje króciec odpowietrzający cylindra jednostronnego działania: należy go regularnie sprawdzać i czyścić w ramach konserwacji zapobiegawczej. Zatkany odpowietrznik zmniejsza wydajność stopniowo na tyle, że może nie zostać zauważony, dopóki cylinder nie zacznie się nieprawidłowo zachowywać, co sprawia, że ​​planowana kontrola jest ważniejsza niż naprawa reaktywna.

Wybór odpowiedniego rozmiaru otworu dla dowolnego typu

Prawidłowy dobór średnicy otworu jest najbardziej podstawowym krokiem przy doborze parametrów każdego cylindra pneumatycznego. Zbyt mały rozmiar otworu powoduje niewystarczającą siłę; nadmierne wymiary to strata powietrza i pieniędzy. Proces ten jest nieco inny dla każdego typu cylindra.

Do cylindrów jednostronnego działania

1. Określ wymaganą siłę na końcu skoku (gdzie ściśnięcie sprężyny jest maksymalne).
2. Dodaj maksymalną siłę sprężyny dla wybranego skoku do wymaganej siły wyjściowej.
3. Dodać tarcie uszczelnienia (zwykle 10% siły teoretycznej jako margines bezpieczeństwa).
4. Oblicz potrzebną powierzchnię otworu: Powierzchnia = Siła całkowita ÷ Ciśnienie zasilania.
5. Wybierz następny standardowy rozmiar otworu większy z obliczonego obszaru.
6. Sprawdź, czy siła sprężyny jest wystarczająca, aby tłok powrócił pod obciążeniem podczas suwu powrotnego.

Do cylindrów dwustronnego działania

1. Określ wymaganą siłę oddzielnie dla skoku wysuwania i cofania.
2. Obliczyć średnicę wymaganą dla każdego skoku przy dostępnym ciśnieniu zasilania, biorąc pod uwagę zmniejszenie powierzchni końcówki tłoczyska w obliczeniach wycofania.
3. Dodaj współczynnik bezpieczeństwa 1,25–1,5 ×, aby uwzględnić tarcie, niewspółosiowość i zmiany ciśnienia.
4. Wybierz otwór, który spełnia oba wymagania dotyczące skoku — zazwyczaj jest to większa z dwóch obliczonych wartości.
5. Sprawdź średnicę pręta pod względem wartości granicznych wyboczenia, jeśli pręt jest ściskany i jest długi w stosunku do swojej średnicy.

Standardowe rozmiary otworów obu typów cylindrów są zgodne z konwencjami ISO 15552: Najpopularniejsze są 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160 i 200 mm. Określenie standardowego rozmiaru otworu zapewnia wymienność między producentami i upraszcza zarządzanie częściami zamiennymi.

Zakresy ciśnień roboczych i ich wpływ na wybór

Zarówno cylindry pneumatyczne jednostronnego, jak i dwustronnego działania są przystosowane do typowego ciśnienia roboczego 1 do 10 barów (14,5 do 145 psi) , przy czym najczęstszym przemysłowym ciśnieniem zasilania jest 6 barów (87 psi). Jednak praca przy niższych ciśnieniach wpływa inaczej na każdy typ.

W przypadku cylindrów jednostronnego działania wymagane jest minimalne ciśnienie robocze, aby pokonać napięcie wstępne sprężyny i tarcie uszczelnienia. Jeśli ciśnienie zasilania spadnie do, powiedzmy, 3 barów w systemie o ciśnieniu znamionowym 6 barów, efektywna siła wyjściowa spadnie o około 50%. Jednak siła sprężyny pozostaje niezmieniona, co oznacza, że ​​redukcja siły w cylindrze jednostronnego działania jest nieproporcjonalna w porównaniu z cylindrem dwustronnego działania przy tym samym zmniejszonym ciśnieniu.

Dodatkowo cylindry jednostronnego działania mogą mieć minimalne ciśnienie robocze określone przez producenta, poniżej którego cylinder nie będzie w pełni przylegał do sprężyny. Próg ten jest zazwyczaj podany w karcie katalogowej produktu i należy go porównać z minimalnym gwarantowanym ciśnieniem zasilania w systemie, a nie z nominalnym ciśnieniem zasilania.

Cylindry dwustronnego działania są pod tym względem mniej wrażliwe na wahania ciśnienia, ponieważ żaden skok nie ma stałego oporu mechanicznego, który można pokonać poza tarciem. Przy niższych ciśnieniach siła wyjściowa zmniejsza się proporcjonalnie przy obu skokach, a system nadal działa – tylko przy mniejszej dostępnej sile.

Warianty cylindrów dwustronnego działania, które warto poznać

W kategorii dwustronnego działania kilka specjalistycznych konstrukcji spełnia specyficzne wymagania aplikacji:

• Cylinder dwustronnego działania z podwójnym prętem: Tłoczysko wystaje z obu końców cylindra. Obie strony mają tę samą powierzchnię otworu, więc siły rozciągające i cofające są identyczne. Używane, gdy symetryczna siła wyjściowa jest krytyczna lub gdy potrzebny jest pręt przelotowy do połączenia mechanicznego lub odniesienia pomiarowego po obu stronach.
• Cylinder tandemowy: Dwa cylindry dwustronnego działania zamontowane szeregowo na tym samym tłoczysku. Obydwa tłoki działają jednocześnie, z grubsza podwajając dostępną siłę przy danej średnicy otworu. Używane, gdy przestrzeń wiertnicza jest ograniczona, ale wymagana jest duża siła.
• Beztłoczyskowy cylinder dwustronnego działania: Obciążenie łączy się zewnętrznie z tłokiem poprzez szczelinę lub sprzęgło magnetyczne w ściance cylindra. Umożliwia bardzo długie pociągnięcia w kompaktowym opakowaniu. Dostępne w skokach do 6000 mm lub więcej.
• Prowadzony cylinder dwustronnego działania: Integruje prowadnice liniowe bezpośrednio z korpusem cylindra, aby wyeliminować moment obrotowy i siły obciążenia bocznego działające na trzpień. Krytyczne w zastosowaniach, w których wymagany jest precyzyjny ruch liniowy i dokładność kątowa bez zewnętrznych prowadnic.

Podsumowanie: Wybór pomiędzy działaniem jednostronnym a podwójnym

Decyzja jest prosta po zestawieniu wymagań aplikacji z kluczowymi wyróżnikami. Użyj następującego frameworka:

• Wybierz jedno działanie gdy: aplikacja wymaga bezpiecznego powrotu do pozycji wyjściowej; skok jest krótki (poniżej 150–200 mm); wymagana siła powrotna jest minimalna; należy zminimalizować zużycie powietrza; preferowany jest prostszy obwód zaworu; a oszczędności na zaworach i instalacjach hydraulicznych są znaczące w skali.
• Wybierz podwójne działanie kiedy: oba uderzenia muszą zapewniać znaczną siłę; długość skoku przekracza 200 mm; wymagana jest niezależna kontrola prędkości obu skoków; częstotliwość cykli jest wysoka i należy dostosować prędkość powrotu; obciążenie skoku powrotnego jest zmienne lub znaczne; lub aplikacja jest mechanizmem naciśnij, przenieś lub podnieś i umieść.

W zdecydowanej większości zastosowań automatyki przemysłowej, Siłownik pneumatyczny dwustronnego działania jest domyślnym koniem pociągowym — elastyczny, wydajny i w pełni sterowalny. Siłownik jednostronnego działania zyskuje swoje miejsce w prostszych, krytycznych dla bezpieczeństwa lub wrażliwych na koszty konstrukcjach, w których jego nieodłączne zachowanie sprężyny powrotnej jest cechą, a nie ograniczeniem. Zrozumienie obu typów na tym poziomie szczegółowości pozwala dokonać świadomego wyboru, w oparciu o wymagania inżynieryjne, a nie konwencję.