Технологии за демпфериране при пневматични цилиндри

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2011

Технологии за демпфериране при пневматични цилиндриТехнологии за демпфериране при пневматични цилиндриТехнологии за демпфериране при пневматични цилиндриТехнологии за демпфериране при пневматични цилиндриТехнологии за демпфериране при пневматични цилиндриТехнологии за демпфериране при пневматични цилиндри

Демпферирането увеличава експлоатационния живот на пневмоцилиндрите, намалява шума и пулсациите на налягането в системата

    Пневматичните цилиндри се използват в приложения, при които се изисква бързо ускоряване на преместваните маси до високи скорости. Това предполага възникването на значителни инерционни сили и резултиращи от това удари при рязко спиране в края на хода, когато буталото достигне до упора. Взаимодействието между главата на цилиндъра и буталото в края на всяко движение оказва влияние върху експлоатационния живот на цилиндъра и генерира шум. Поради тази причина в главата на цилиндъра се монтират пневматични демпфери, които оперират съобразно принципа за обратно освобождаване на налягането. Устройствата могат да се вградят в предния, задния или и в двата капака, като наличието им не променя конструктивните и монтажни размери на цилиндъра. Съществуват няколко конструкции на демпфера, но принципът им на действие е един и същ. Буталото е снабдено с цилиндричен издатък (плунжер) - от едната или от двете страни. При наближаване на края на хода този плунжер навлиза в цилиндричния отвор, изработен в капака, и затваря директния път на въздуха към изходящия отвор. Затвореният обем въздух в цилиндровата камера се изтласква към изхода през един дросел (отвор с много малко сечение). В резултат на хидравличното съпротивление (т. нар. дроселиране), възникващо при протичането през малкия отвор, налягането в затвореното пространство се повишава и създава спирателна сила. Параметрите на спирачния процес могат да се регулират чрез изменение на размерите на отвора (регулируем дросел). В по-старите конструкции няма допълнително уплътнение, а плунжерът се движи с много малка хлабина в цилиндричния отвор, което изисква допълнителна машинна обработка на възела. В този случай, за да се избегне задържането на буталото при тръгване в обратна посока, в капака се вгражда възвратен клапан, който се отваря при обратния ход, така че налягането действа върху цялото сечение на цилиндъра. В съвременните конструкции демпфери се използва специално уплътнение, което изпълнява две функции - на уплътнение и на възвратен клапан. Тези функции са илюстрирани на фиг. 1. Уплътнението има възможност да се измества в осова посока, в специално изработен канал на капака. При движението на буталото, навлизащият в уплътнението плунжер и силата от налягането на въздуха го избутват надясно до упор. Така се блокира протичането на въздух през това направление. При подвеждане на налягане за обратния ход, въздухът избутва и притиска уплътнението наляво, отново до упор, в лявата стена на канала. Въздухът протича около периферията на уплътнението и през образувалите се канали действа върху цялата повърхност на буталото.
Пневматичното демпфериране от разгледания тип функционира ефективно при скорости на буталото до около 500 mm/s. Много автоматизирани процеси, например в металообработващите машини, при захващане и преместване на обекти и др., изискват значително по-големи скорости - до и над 1 m/s. В такива случаи може да се прибегне до някоя от формите на външно демпфериране или подходящ контрол на скоростта. На фиг. 2 е показана зависимостта между товара, приложен на буталния прът, и скоростта на буталото. Ако товарът и скоростта са прекалено големи, демпферирането не е ефективно. Друго ограничение на вътрешното демпфериране е, че то е ефективно, само ако се използва пълният ход на пневмоцилиндъра. Очевидно, ако буталото спре под някакво външно въздействие преди да достигне демпфериращата камера, няма да има никакъв спирачен ефект. Методът е относително неефективен и в пневматични системи с бързоизпускащи клапани, защото тогава в демпфера се ограничава малко количество въздух и, съответно, демпфериращият ефект е малък.

Външните хидравлични демпфери се монтират директно на цилиндъра или на товара. Тъй като демпферът преобразува кинетичната енергия на подвижните маси в топлина, която не може да се разсее бързо в околната среда, важно е да не се надхвърля предписаният от производителя максимален брой цикли (около 60 за минута).
Ако главите на буталото не са достатъчно големи, за да задържат демпферираща камера, то те се оборудват с еластични пръстени, познати като шокабсорбери. Като типични уплътнения на буталото се използват елипсовидни и правоъгълни пръстени. Най-масово приложение намират различни видове маншетни уплътнения. Сред тях широко използвани са U-маншетите. Устните на уплътнението се разполагат към страната на високото налягане. При нулево или малко налягане херметичността се осигурява от еластичните свойства на пръстена, който се свива при монтажа. Плътността на контакта, а оттук и ефективността на уплътнението, се повишава с увеличаване на налягането. От принципа на действие е очевидно, че това уплътнение е едностранно и затова се използва в еднодействащите цилиндри. За двустранно уплътнение се използват два U-маншета, разположени симетрично. Друг вид динамични уплътнения са единичният или двойният чашков маншет. В конструкцията на пневмоцилиндрите обикновено се включва и чистач, който отстранява полепналите по буталния прът замърсявания при прибирането му. Основните изисквания към него са да приляга добре към пръта и да осигурява достатъчно контактно налягане. В повечето случаи чистачът има една устна и е изработен от износоустойчив еластомер или термопластичен материал. Понякога се предвижда и метална армировка, която фиксира формата и положението на почистващия ръб и осигурява допълнително контактно налягане. Все по-широко приложение намират двойните чистачи, при които едната им страна почиства пръта, а другата, обърната към буталото, изпълнява ролята на маншетно уплътнение, което осигурява допълнителна херметизация.

За изработката на уплътняващите елементи се използват различни материали. В стандартни приложения се прилагат термопластични еластомерни смеси на основата на полиуретан (PUR). Този материал се отличава с отлична еластичност, износоустойчивост и устойчивост на минерални масла при работни температури от -30 до +120 °С, което осигурява дългия му експлоатационен живот. Основен недостатък, който ограничава употребата на полиуретан е, че материалът не е устойчив на вода (влага), която го разгражда чрез хидролиза.

Друг популярен материал е нитрил-бутадиенов каучук (NBR) с търговски наименования Perbunan, Polysar-Krynac. Той се характеризира с много добри експлоатационни качества в температурния диапазон от -20 до +80 °С. Флуоркаучукът (FPM), с търговски наименования Viton, Fluorel, Tecnoflon, се отличава с много висока химическа устойчивост и температурен диапазон от -20 до + 150 °С.

Политетрафлуоретиленът (PTFE), известен много повече с търговското си наименование Teflon, намира голямо приложение като част от динамичните уплътнения, поради изключително ниския си коефициент на триене и високата си износоустойчивост при работни температури до +200 °С. Чрез добавяне на графит, бронз, стъкло или молибден (MoS2) материалът се приспособява към различни специфични изисквания. Основният му недостатък е по-малката еластичност.

Съвременни технологии за демпфериране
В желанието си да проследим съвременните технологии за демпфериране при пневматичните цилиндри, се обърнахме към водещи производители и търговски дружества, които ни предоставиха информация за технологиите, заложени в предлаганите от тях цилиндри и техните предимства.

Технически решения от Metal Work и Weforma
Ударът между буталото и главата на цилиндъра в края на всеки ход съкращава живота на цилиндъра и генерира висок шум. За да се избегне това, в цилиндрите се използва механично и пневматично демпфериране в края на хода. Пневматичните амортисьори са поставени в главите на цилиндъра, като се използва принципът на освобождаване на обратното налягане. В края на хода конусен елемент, свързан с буталото, навлиза в демпфериращата камера и затваря основния отвор за освобождаване на въздуха, преди буталото да е достигнало крайно положение. Останалият въздух се освобождава през малък регулируем отвор, което забавя движението на буталото. Регулиращата игла в цилиндрите на Metal Work e със специфична форма, която осигурява по-прецизно регулиране на мекото спиране на цилиндъра. За допълнително редуциране на шума Metal Work използва механично демпфериране с гумени буфери от NBR или FKM/FPM.

Пневматичното демпфериране е в пряка зависимост от товара, приложен на буталния прът и скоростта на буталото. Ако товарът и скоростта са прекалено големи, то не е ефективно. В такива случаи е необходимо да се използват външни хидравлични демпфери като тези на немската фирма Weforma. Характеризират се с HELIX (спираловидна) система на отворите, което осигурява 300% повече погълната енергия и 50% по-ниска цена, QPQ покритие срещу корозия, интегриран стоп в края на хода, който предпазва вътрешното бутало от удар в дъното на демпфера, полиуретанови капачки, които редуцират шума до 40% и са с 60% по-дълъг живот.
Илияна Анастасова, Ka Matic, вносител на Weforma и Metal Work

SMC предлага специална технология за компактцилиндри
В пневматичните цилиндри се използват главно два основни начина за демпфериране в края на хода - еластично (ненастройваемо) и пневматично (настройваемо). Когато тези два основни метода са недостатъчни, наложително е използването на външни, най-често хидравлични демпфери. Тези решения са широко застъпени при SMC.
Класическата технология за демпферирането в края на хода е добре позната - благодарение на специална форма на буталото, буталния прът и капаците на цилиндъра, се постига нарастване на съпротивлението в края на хода. Един от недостатъците на този метод са именно специалните форми на елементите на цилиндъра, които удължават габаритите му. Разликата в дължините на цилиндър с настройваемо и ненастройваемо демпфериране за диаметър Ж20 mm е по-голяма от 25 mm и расте заедно с диаметъра на цилиндъра. Така тази технология е неприложима за компактцилиндри.

За разрешаването на този проблем SMC предлага специална технология за компактцилиндри. Благодарение на нея, характерните удължения на габаритите са сведени до минимум. Демпферирането в края на хода е реализирано чрез използването на специални уплътнения и уникална схема на демпфериране. Така за цялата гама цилиндри с диаметри в диапазона Ж20 - Ж100, разликата в дължините е между 2,5 и 13 mm. Абсорбираната кинетична енергия се повишава повече от 3 пъти. Шумът също се редуцира между 14 - 19 dB.
Пламен Тюркеджиев,
управител на SMC Industrial Automation Bulgaria

Ново поколение пневматични демпфери от Koganei
При конструирането на Flat Rotary Actuators (RAF) японската фирма Koganei разработи ново поколение пневматични демпфери KSHK - Linear Orifice Pressure-Resistant Shock Absorbers.

С тях се позволява директно взаимодействие на пневматичното бутало с демпферния прът в камерите с налягане. Резултатът е високоинтегриран продукт без всякакви външни механични елементи. Всичко това допринася за намаляване вероятността от механични повреди и допълнителни регулировки на изпълнителния механизъм.
Тошко Йовчев,
фирма Панакс

Фесто предлага три вида решения за демпфериране
В предлаганите от Фесто пневматични цилиндри са заложени 3 типа технологични решения за демпфериране - нерегулируемо демпфериране (тип - Р , икономически изгодно, подходящо за къси ходове/ниски скорости); регулируемо демпфериране (тип - PPV, позволява прецизна настройка, за високи скорости и натоварване) и самонастройващо се (тип - PPS, оптимално демпфериране при средни скорости/натоварване, без да се губи време за настройка).
Предлагат се и външни хидравлични демпфери (регулируеми, с прогресивно втвърдяваща се характеристика, самонастройващи). Голямо улеснение за клиентите е наличието на FESTO софтуер за избор на подходящо демпфериране.
инж. Петър Недялков,
технически специалист, Фесто

ЕКСКЛУЗИВНО

Top