Пневматични цилиндри
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 3, 2010
Конструкция, уплътнения, демпфериране, позиционни сензори
За нуждите на индустрията са разработени и усвоени за масово производство различни видове пневматични изпълнителни механизми (pneumatic actuators). Те преобразуват енергията на сгъстения въздух в полезна работа за преместване, фиксиране или силово въздействие върху различни обекти.
Изпълнителните механизми могат да се разделят в три основни групи:
l Механизми за праволинейно движение (linear actuators);
l Завъртащи механизми (rotary actuators);
l Механизми за въртеливо движение, пневмодвигатели (pneumatic motors).
Завъртащите механизми осигуряват единично завъртане с обхват най-често до 360°, но се прeдлагат конструкции, осъществяващи завъртане и до 720°.
Пневматичните изпълнителни механизми са компоненти, чиито технически характеристики и цена са решаващи фактори при избора на пневматична технология на задвижване. Основните тенденции на развитие в областта на пневматичните изпълнителни механизми са повишаване на тяхната ефективност, подобряване на съотношението мощност - тегло, конструктивно и технологично усъвършенстване, разработване и внедряване на нови видове устройства.
Стандартни пневматични цилиндри
Пневматичните цилиндри (пневмоцилиндри) са между най-разпространените механизми за праволинейно движение, което се дължи на няколко фактора:
l относително ниска цена;
l лесно инсталиране;
l елементарна и здрава конструкция;
l пазарно разнообразие от размери и дължини на хода.
Основните характеристики на масово произвежданите пневмоцилиндри са:
l диаметър на цилиндъра - 2.5 до 320 mm;
l дължина на хода - 1 до 2000 mm;
l развивано усилие - 2 до 45 000 N при 6 bar;
l скорост на буталото - 0.1 до 1.5 m/s.
Пневматичните цилиндри могат да се класифицират по различни признаци. Например, те са с едностранно и двустранно действие (еднодействащи и двойнодействащи); с едностранен и двустранен бутален прът; сдвоени и дуплекс; със и без демпфериране в крайно положение и др. Предлагат се разнообразни начини за захващане, при еднакви други параметри: закрепване с фланец, с резба, с лапи, шарнирно и т. н. Като цяло, пневматичните цилиндри от споменатите видове са сходни конструктивно на хидравличните цилиндри. Най-съществените различия са в използваните материали, в еластичните уплътнители и в относително по-малките размери на буталния прът и по-малката дебелина на цилиндровата тръба, дължащи се на по-ниските работни налягания в пневматичните системи. Голямото разнообразие в предлаганите модели се постига чрез комбинация от стандартни секции, капаци и бутала.
Международни стандарти в областта
Основните параметри на пневматичните цилиндри се регламентират от следните международни стандарти:
l ISO 6432 за диаметри на цилиндъра от 8 mm до 25 mm (8, 10, 12, 16, 20 и 25 mm);
l ISO 15552 за диаметри на цилиндъра от 32 mm до 320 mm (32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250 и 320 mm);
l ISO 21287 за компактни пневмоцилиндри с диаметри от 20 до 100 mm.
Пневмоцилиндрите, изработени съгласно посочените стандарти, обикновено се обявяват от производителите като ISO цилиндри или "стандартни" цилиндри. Специалистите съветват, ако е възможно, да се използват такива цилиндри, което осигурява тяхната взаимозаменяемост.
Конструкция на стандартните пневмоцилиндри
На фиг. 1 е показана конструкцията на типичен двойнодействащ пневмоцилиндър с едностранен бутален прът. Основните му елементи са: цилиндрова тръба 1, бутало 2 с уплътнения 7, бутален прът 3, затварящ (заден) капак 4, уплътнителен (преден) капак 5, водеща втулка 6 с почистващ пръстен (чистач) и уплътнение 8.
Капаците се съединяват с цилиндровата тръба по различни начини, включително болтове, шпилки, резбово съединение, с полупръстени, посредством заваряване, фланци и др. В показания случай се използват шпилките 9 и стягащите гайки 10, което е характерно за средно и тежко натоварени приложения.
Цилиндровата тръба може да бъде изработена от чугун, бронз или друг материал, но най-често е от анодиран алуминий или безшевна изтеглена стоманена тръба, която е обработена прецизно (хонингована), за да се увеличи експлоатационният срок на уплътнителните елементи и за да се намали силата на триене. При отлят цилиндър обикновено затварящият капак е интегрална част от него (т.нар. глух капак). Капаците се изработват от различни материали - анодиран алуминий, темперован чугун, стомана или бронз. Предпочитан е същият материал, както на тръбата, за да се избегне рискът от галванична корозия. Капаците включват присъединителни отвори и демпфериращи камери (ако има такива).
Буталото обикновено е от алуминиева сплав и по-рядко от стомана или бронз. Изискванията към буталния прът са много по-строги. Той се изработва от полирана неръждаема стомана, бронз, стомана с покритие от никел или хром и др. При наличието на резба, тя се получава чрез валцоване, за да се избегне опасността от повреда на пръта. Водещата втулка направлява буталния прът и се изработва от синтерован бронз или от метал с покритие от пластичен материал.
Във всички случаи, когато изискванията за защита от корозия и осигуряване на чиста среда за дадено производство са задължителни, се използват пневмоцилиндри изцяло от неръждаема стомана. Целесъобразно е пневмоцилиндри от месинг да се използват при тежки климатични условия и при високи температури (до 200 °С).
За да се осигури възможността за използване на неомаслен въздух в хранително-вкусовата и фармацевтичната индустрия, цилиндрите се изработват от материали, които не изискват допълнително мазане. Повечето съвременни цилиндри се произвеждат стандартно по този начин и могат да се използват както без, така и със мазане. Експлоатационният срок без мазане се съкращава незначително. Предварително омасляване на въздуха се препоръчва при скорости над 1 m/s, както и в условия на силно действаща корозионна околна среда.
В пневмоцилиндрите за уплътняване на неподвижните съединения
(статично уплътнение), например между цилиндровата тръба и капаците, най-широко приложение намират пръстени с кръгло сечение, т. нар. O-пръстени, фиг. 1, детайл А. Използването на подобни пръстени като уплътняващ елемент между линейно движещи се части е неподходящо поради значителната триеща сила, малката дълготрайност и възможната ротация на пръстена.
Съществуват и се използват различни начини за уплътняване на подвижните плъзгащи се части (динамично уплътнение). На фиг. 2 са показани няколко типични уплътнения на бутало. Както вече бе споменато, използването на O-пръстен не се препоръчва. Вместо това се прилагат елипсовидни и правоъгълни пръстени - фиг. 2, а и б. Най-масово приложение намират различни видове маншетни уплътнения. На фиг. 1, детайл В е показан широко използвания U-маншет. 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 - фиг. 2в. По-добър вариант на уплътнение е показан на фиг. 2г. Между двата маншета 1 е разположен плъзгащият пръстен 3. Самите маншети са осигурени с опорните пръстени 2. Друг вид динамични уплътнения са единичният или двойният чашков маншет (фиг. 2д и 2е). Фиг. 2ж показва закопчаващ маншет, а фиг. 2з - L-пръстен.
Уплътнението между буталния прът и капаците най-често се осъществява с маншет. На фиг. 3б е показано съвременно уплътнение на бутален прът. Назъбването създава последователност от уплътнителни ръбове, което осигурява висока ефективност при произволни работни условия. 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 - фиг. 3a. Едната им страна почиства пръта, а другата, обърната към буталото, изпълнява ролята на маншетно уплътнение, което осигурява допълнителна херметизация.
На фиг. 2 а, б, г, д, е и з се виждат и статичните уплътнения между буталото и буталния прът. Това най-често са О-пръстени или пръстени с правоъгълно сечение.
Материали за уплътняващи елементи
За уплътняващите елементи в пневматиката се използват различни материали. В стандартни приложения се прилагат широко 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.
Демпфериране в края на хода
Пневматичните цилиндри са много подходящи за бързо ускоряване на преместваните маси до високи скорости, например 1 m/s. Това предполага възникването на значителни инерционни сили и резултиращи от това удари при рязко спиране в края на хода, когато буталото достигне до упора. Същевременно, тенденция в пневмоцилиндрите е използването на леки алуминиеви сплави, което изисква ударите в края на хода да са по-малки. Леките серии слабо натоварени цилиндри са с малка маса на компонентите и товара. Затова фиксираното демпфериране с противоударни подложки от еластомер (най-често полиуретан) в капаците, в повечето случаи решава адекватно проблема. За най-големите цилиндри се използват външни демпфериращи устройства. Най-новата тенденция включва използването на електронно управление на скоростта. Демпферирането увеличава експлоатационния живот на пневмоцилиндрите, намалява шума и пулсациите на налягането в системата.
За повечето приложения най-подходящо е използването на пневмоцилиндри с регулируемо пневматично демпфериране в края на хода
Тези устройства не са задължителни и могат да се вградят в предния, задния или и в двата капака, като това задължително трябва да се уточни при поръчката за доставка. Наличието на демпфериращи устройства 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. 4. 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. 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.
На фиг. 5 е показан външен хидравличен демпфер, който се монтира директно на цилиндъра (в случая безпрътов пневмоцилиндър) 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).
Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю
Вижте още от Автоматизация
Новият брой 9/2024
