Газови пружини

Начало > Механични системи > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8/2023 > 30.11.2023

  • За разлика от конвенционалните механични пружини, газовите им аналози не разчитат на еластична деформация

  • Основните компоненти на една газова пружина са запечатан цилиндър (който функционира като компресионна камера), бутало с глава, уплътнение и водач

  • Конвенционалните газови пружини използват т. нар. хидравлично амортизиране, при което малко количество масло забавя скоростта на буталото непосредствено преди достигане на позиция на пълен опън

 

Газовите пружини по своята същност са хидропневматични елементи за съхранение на енергия. В конструкцията им се използват азотен газ и масло, чрез които се получава компресируема (свиваема) и поглъщаща вибрациите среда. Тези амортисьорни системи могат да бъдат както в стандартно изпълнение, така и допълнително конфигурирани и персонализирани, за да покриват широк набор от изисквания в редица отрасли и приложения.

За разлика от конвенционалните механични пружини, газовите варианти не разчитат на еластична деформация. Те представляват затворени системи, които не изискват въвеждането на допълнително количество газ, за да функционират, след като веднъж са напълнени с инертен газ и капсуловани.
Основните компоненти на една газова пружина са запечатан цилиндър (който изпълнява ролята на компресионна камера), бутало с глава, уплътнение и водач.

Азотният газ в цилиндъра упражнява еднакво налягане върху двете страни на буталния прът, едната от които е с по-малка напречна повърхност от другата. Така се генерира сила на избутване, чиято големина се определя от напречното сечение на прецизно проектирания бутален прът и вътрешното налягане в цилиндъра. Силата на пружината е равна на разликата между вътрешното и външното налягане, действащи върху площта на напречното сечение на пръта.
Макар в повечето приложения разликата в налягането да може да бъде приблизително изчислена чрез вътрешното налягане на пружината, тя трябва да бъде прецизно контролирана при системи, които се използват в среди с високо налягане, например в подводни приложения в корабостроенето, корабоплаването и морското дело.

 

Работен принцип и специфики

За разлика от повечето други типове пружини, газовите разполагат с предварително създадена сила на опън и плосък профил. При тях на практика съществува много малка разлика в силата между позициите на пълно разтягане и пълно свиване на механизма.

При натискане на буталото и пръта навътре в цилиндъра обемът на флуида се намалява, а налягането му нараства, което увеличава силата на избутване. За стандартните газови пружини увеличението е с около 30% при пълна компресия.

Избутващото движение е бавно и контролирано. То зависи от потока на газа между двете страни на буталото, който преминава през специални канали в главата по време на хода на механизма.

Конвенционалните газови пружини използват т. нар. хидравлично амортизиране, при което малко количество масло забавя скоростта на буталото непосредствено преди пружината да достигне състояние на пълен опън. Това дава известен спирачен момент преди крайната позиция, в случай че прътът на буталото е в посока на движение надолу. Няколко фактора повлияват този амортисьорен ефект. Сред тях са работната температура, вискозитетът и обемът, както и температурата на течливост на маслото.

С въвеждането на буталния прът в цилиндъра (при ход на компресиране), обемът на газа вътре намалява с пропорционално увеличение на налягането, според закона на Бойл. Следователно силата на газовата пружина е по-голяма при прибран прът на буталото. Разликата между силите в двете крайни позиции на пружината е важна характеристика на този тип системи, известна като К-фактор или прогресия. За разлика от механичните пружини, газовите могат да функционират високоефективно и с много малък К-фактор от порядъка на 1,05 до 1,8 (или до 80% прогресия). За разлика от винтовите пружини пък, газовите са “предварително натегнати” (под вътрешно налягане) за желаната сила в крайна компресирана позиция, която е незабавно налична за оползотворяване.

 

Типове газови пружини

Конструкцията на стандартните газови пружини съвпада с базовия дизайн, описан по-горе – прът, прикрепен към бутало, движещо се в запечатан цилиндър, който съдържа азотен газ и масло. Този тип пружини са високонадеждни и компактни, което ги прави предпочитан избор за редица приложения, включващи повдигане и балансиране на товари.

Т. нар. регулируеми газови пружини със заключващ механизъм позволяват застопоряване на буталния прът във всяка позиция по дължина на хода му. Процесът се задейства чрез активиране на плунжер, свързан с пръта. Самият прът започва да работи като компресионна газова пружина при натискане на плунжера. При освобождаването на буталото в която и да е точка, прътът се застопорява в съответната си моментна позиция. В допълнение към бутален прът, цилиндър, водач и уплътнения, този дизайн включва и бутален клапан.

На пазара се предлагат и богата гама специализирани газови пружини, конфигурирани спрямо изискванията на дадено индустриално приложение. Те са достъпни в широк избор от материали, включително от високотемпературна EPDM гума, полиуретан, патентовани високоиздръжливи флуороеластомери и др.

В практиката често се използват и газови пружини със заключващ се предпазен външен модул – допълнителен механизъм, обвиващ буталния прът. Той е предназначен да заключи пружината в крайна опъната позиция.

Друг популярен тип газови пружини са т. нар. “tension and traction” механизми за комбиниран ефект на опъване и теглене. Те са предназначени да прилагат известна сила на натиск или да поддържат опън, за да се осигури задвижване например на ремъчна предавка или механични възли. Тези пружини работят по начин, който е точно противоположен на този, по който функционират компресионните газови пружини. Продуктите в сегмента се предлагат с различни размери и диапазони на хода, следователно и с разнообразен диапазон на силата и К-фактора. Традиционно те се произвеждат от неръждаема стомана. Контролът върху действието на издърпване и натиск се определя според изискванията на съответното приложение.

Газовите пружини от неръждаема стомана са подходящи за работа в корозивни и други агресивни среди. В тази категория се наблюдава богато пазарно разнообразие, както е и при компресионните и заключващите се модели. Всички типове стоманени газови пружини разполагат с освобождаващ клапан, какъвто няма например в микропружините от този клас. Клапанът подпомага действието на системата, като освобождава газа при достигане на желаната сила.

Широко използвани са и газовите амортисьори, базирани на газови пружини. Дизайнът им позволява подобрен контрол върху скоростта и движението на механизма чрез хидравлично масло. Такива системи се използват предимно в устройства и приспособления, които се движат в специфична посока, например врати и капаци. Характеризират се с различен капацитет на натоварване (например от 4 – 5 до 60 – 70 kg), както и с разнообразни скорости на хода.

 

Предимства и приложения

Използването на газови вместо механични, винтови или друг тип пружини носи много преимущества, включително избор при много по-голям диапазон на силата (до над 10 – 12 000 N), както и богат асортимент от размери и дизайни. В допълнение при тях не се изисква външно захранване, а максималният брой работни цикли в рамките на сервизния им живот клони към над 100 000. Нещо повече – възможен е ъгъл на отваряне от над 90°. Същевременно тези системи не издават никакъв шум и са значително по-евтини от други типове амортисьорни системи.

Сред ключовите им предимства са ниските изисквания за поддръжка, тъй като компонентите им са разположени в затворен цилиндър и не изискват почистване или смазване. Важен плюс на газовите пружини е изключително дългият им експлоатационен живот, по-дълъг от този при които и да е други типове пружинни системи. За разлика от изцяло механичните варианти, които бързо се износват и постепенно губят способността си да съхраняват енергия, газовите са разположени в затворена камера, която ги предпазва от преждевременно износване. Това ги прави финансово изгодни, тъй като не се налага честата им подмяна.

В сравнение с механичните и други типове пружини, газовите разполагат и с друго ценно преимущество – заключващата функция, полезна в множество потребителски и индустриални приложения. Не е за подценяване и високото ниво на ергономия на газовите амортисьори, които се отличават с изключително плавно движение. Това ги прави отлично решение например за мебелни механизми, като регулируеми офис столове. Предимство на газовите пружини са и изключително разнообразните монтажни опции.

Тези системи намират много широко приложение в съвременната индустрия. Освен в мебели и регулируеми стойки и механизми, в стандартно изпълнение те се срещат масово в промишлено и селскостопанско оборудване и съоръжения, моторни превозни средства с различно предназначение, пътнически и товарни ремаркета, асансьорни системи и т. н. Газови пружини се използват още за отваряне и затваряне на вратички, панели за достъп, капаци, задни врати на пикапи и подвижни покриви, а също и за сваляне и повдигане на пасажерски седалки и други задачи в автомобилостроенето. Механизмите в сегмента намират широка употреба и в медицинско оборудване, болнични легла и друга специализирана мебелировка и техника в сферата на здравеопазването, апарати за образна диагностика, носилки, аварийни колички за пострадали и т. н.

Интересна област на приложение на газовите пружини са установките за изстрелване на дронове. Тези системи се срещат често и в авиокосмическия сектор, а вариантите от неръждаема стомана са практично решение за хранително-вкусовата и фармацевтичната промишленост, както и за морското дело.


Вижте още от Механични системи


Ключови думи: газови пружини, газови амортисьори, механични пружини, винтови пружини, амортизиране



Редактор на статията:

Пепа Петрунова

Пепа Петрунова

Редактор

  • Завършва специалност "Журналистикa" в СУ "Св. Климент Охридски";

 

  • Заема длъжността редактор "Списания" от 2013 г.;

 

  • Разполага с над 15 години опит в разработването на оперативни материали и технически статии в широк кръг от тематични области.

 

Пепа Петрунова в LinkedIn

Top