Каква е основната концепция на пневматичния цилиндър?

Пневматичните цилиндри задвижват безброй промишлени машини, но много инженери се затрудняват с основните понятия за цилиндри. Разбирането на тези основи предотвратява скъпоструващи повреди на системата и подобрява производителността.

Пневматичният цилиндър е механичен задвижващ механизъм, който преобразува енергията на сгъстения въздух в линейно движение чрез бутало и пръчка, разположени в цилиндрична камера.

Миналия месец помогнах на Маркус, инженер по поддръжката от германски автомобилен завод, да разреши повтарящи се повреди на цилиндри. Екипът му ежемесечно заменяше цилиндри, без да разбира основните принципи на работа. След като обхванахме основите, броят на отказите им спадна 80%.

Съдържание

• Как работи пневматичният цилиндър?
• Кои са основните компоненти на пневматичния цилиндър?
• Какви видове пневматични цилиндри съществуват?
• Как се изчисляват силата и скоростта на цилиндъра?
• Какви са обичайните приложения на цилиндрите?

Как работи пневматичният цилиндър?

Пневматичните цилиндри работят на основата на прости принципи на налягане, които превръщат енергията на въздуха в механично движение.

Сгъстеният въздух навлиза в камерата на цилиндъра, притиска повърхността на буталото и създава сила, която премества буталния прът линейно.

Основен работен цикъл

Цилиндърът работи в четири основни фази:

1. Доставка на въздух: Сгъстеният въздух влиза през входния отвор
2. Изграждане на налягане: Налягането на въздуха действа върху повърхността на буталото
3. Генериране на сила: Налягането създава сила (F = P × A)
4. Линейно движение: Силата движи буталото и пръта

Единично действие срещу двойно действие

Цилиндрите работят по различен начин в зависимост от конфигурацията на подавания въздух:

Връзка между налягането и силата

Основното уравнение управлява всички операции с цилиндъра:
Сила = Налягане × Площ

За цилиндър с диаметър 2 инча и налягане 80 PSI:
Сила = 80 PSI × 3,14 квадратни инча = 251 фунта

Фактори за контрол на скоростта

Скоростта на цилиндъра зависи от няколко променливи:

• Скорост на въздушния поток: По-големият поток увеличава скоростта
• Площ на буталото: По-голямата площ изисква по-голям обем въздух
• Съпротивление при натоварване: По-тежките товари намаляват скоростта
• Налягане на захранването: По-високото налягане може да увеличи скоростта

Кои са основните компоненти на пневматичния цилиндър?

Разбирането на компонентите на цилиндрите помага на инженерите да избират, поддържат и отстраняват ефективно неизправности в пневматичните системи.

Основните компоненти на цилиндъра включват цилиндър, бутало, прът, уплътнения, крайни капачки и портове, които работят заедно, за да преобразуват въздушното налягане в линейно движение.

Цилиндрична цев

В цевта се намират всички вътрешни компоненти и се съдържа въздух под налягане:

Опции за материали

• Алуминий: Лека, устойчива на корозия
• Стомана: Висока якост, тежки приложения
• Неръждаема стомана: Корозивни среди

Обработки на повърхността

• Анодизиран: Устойчивост на износване
• Твърд хром: Удължен живот
• Шлайфани¹: Плавна работа

Сглобка на буталото

Буталото превръща налягането на въздуха в механична сила:

Материали за буталата

• Алуминий: Стандартни приложения
• Стомана: Високи изисквания за сила
• Композит: Специални среди

Конфигурации на уплътненията

• О-пръстен: Основно уплътняване
• Уплътнения за чаши: Приложения за високо налягане
• V-пръстени: Двупосочно уплътняване

Компоненти на пръта

Пръчката предава силата от буталото към външния товар:

Материали за пръти

Уплътнения за пръти

• Уплътнения на чистачките: Предотвратяване на замърсяването
• Уплътнения за пръти: Предотвратяване на изтичането на въздух
• Резервни пръстени: Подкрепа за първичните уплътнения

Крайни капачки и монтаж

Крайните капачки затварят цилиндъра и осигуряват възможности за монтаж:

Стилове на монтиране

• Клеви²: Приложения с въртеливо движение
• Фланец: Фиксиран монтаж
• Тризъбец: Монтаж при тежки условия
• Крака: Монтаж на основата

Какви видове пневматични цилиндри съществуват?

Различните типове цилиндри обслужват специфични приложения и изисквания за производителност в индустриалната автоматизация.

Общите типове пневматични цилиндри включват еднодействащи, двудействащи, безпръстови цилиндри, ротационни задвижвания и специални конструкции за специфични приложения.



Еднодействащи цилиндри

Еднодействащите цилиндри използват въздушно налягане само в една посока:

Предимства

• Опростен дизайн: По-малко компоненти
• По-ниски разходи: По-малко сложна конструкция
• Ефективен въздух: Използва въздух само в една посока

Ограничения

• Пролетно завръщане: Ограничена сила на връщане
• Контрол на позицията: По-малко прецизно позициониране
• Контрол на скоростта: Ограничено регулиране на скоростта

Цилиндри с двойно действие

Цилиндрите с двойно действие използват въздушно налягане в двете посоки:

Ползи от изпълнението

• Двупосочна сила: Захранване в двете посоки
• Прецизен контрол: По-добра точност на позициониране
• Променлива скорост: Независими скорости на разтягане/прибиране

Приложения

• Монтажни линии: Прецизно позициониране
• Обработка на материали: Контролирано движение
• Металорежещи машини: Точно позициониране

Цилиндри без пръти

Безпрътовите цилиндри осигуряват възможност за дълъг ход без ограничения в пространството:

Видове дизайн

• Магнитно свързване: Безконтактно предаване на сила
• Кабелни цилиндри: Механичен съединител
• Групови цилиндри: Запечатано лентово съединение

Предимства

• Спестяване на пространство: Без стърчащ прът
• Дълги удари: Възможни са до над 20 фута
• Висока скорост: Намалена подвижна маса

Специални цилиндри

Специализираните конструкции обслужват уникални приложения:

Компактни цилиндри

• Късо тяло: Приложения с ограничено пространство
• Интегрирани клапани: Опростена инсталация
• Бързо свързване: Бърза настройка

Цилиндри от неръждаема стомана

• Клас за хранителни продукти: Материали, отговарящи на изискванията на FDA³
• Измиване: Защита IP67+
• Химическа устойчивост: Сурови условия

Как се изчисляват силата и скоростта на цилиндъра?

Точните изчисления на цилиндрите осигуряват правилно оразмеряване и прогнозиране на производителността за пневматични приложения.

Силата в цилиндъра е равна на налягането, умножено по площта на буталото (F = P × A), докато скоростта зависи от дебита на въздуха, площта на буталото и съпротивлението на системата.

Изчисления на силата

Основното уравнение за силата се прилага за всички типове цилиндри:

Теоретична сила = налягане × площ на буталото

Изчисляване на площта на буталото

За кръгли бутала: Площ = π × (Диаметър/2)²

Действителна и теоретична сила

Силата в реалния свят е по-малка от теоретичната поради:

• Триене на уплътнението: Загуба на сила 5-15%
• Вътрешно изтичане: Загуба на налягане
• Падане на налягането в системата: Ограничения на предлагането

Изчисления на скоростта

Скоростта на цилиндъра зависи от въздушния поток и от работния обем на буталото:

Скорост = дебит ÷ площ на буталото

Изисквания към дебита

За 2-инчов цилиндър, който се движи със скорост 12 инча в секунда:
Необходим дебит = 3,14 кв. инча × 12 инча/сек ÷ 60 = 0,628 CFM

Методи за управление на скоростта

• Вентили за контрол на потока: Ограничаване на въздушния поток
• Регулиране на налягането: Движеща сила на управлението
• Компенсация на натоварването: Регулиране за различни натоварвания

Анализ на натоварването

Разбирането на характеристиките на натоварване подобрява избора на цилиндър:

Видове натоварване

• Статично натоварване⁴: Изискване за постоянна сила
• Динамично натоварване: Сили на ускорение
• Натоварване от триене: Повърхностно съпротивление
• Натоварване на гравитацията: Компоненти на теглото

Какви са обичайните приложения на цилиндрите?

Пневматичните цилиндри имат разнообразни приложения в производството, автоматизацията и преработвателната промишленост.

Често срещаните приложения на цилиндрите включват обработка на материали, монтажни операции, опаковане, притискане, позициониране и контрол на процесите в производствена среда.

Производствени приложения

Цилиндрите задвижват основни производствени процеси:

Монтажни линии

• Позициониране на частта: Прецизно разположение на компонентите
• Затягане: Сигурно задържане на детайла
• Натискане на: Принудителни операции на приложението
• Изтласкване: Системи за отстраняване на части

Обработка на материали

• Конвейерни системи: Прехвърляне на продукта
• Механизми за повдигане: Вертикално движение
• Системи за сортиране: Разделяне на продукти
• Зареждане/разтоварване: Автоматизирана обработка

Използване в преработвателната промишленост

Преработвателните индустрии разчитат на цилиндрите за контрол и автоматизация:

Задвижване на клапана

• Въздушни клапи: Управление на включването/изключването
• Сферични вентили: Работа с четвърт оборот
• Бътерфлай клапани: Модулация на потока
• Предпазни спирателни механизми: Аварийна изолация

Операции по опаковане

• Уплътняване: Затваряне на опаковката
• Рязане: Разделяне на продукти
• Формиране: Създаване на форма
• Етикетиране: Приложни системи

Специални приложения

Уникалните приложения изискват специализирани решения за цилиндри:

Неотдавна работих с Елена, инженер по технологичните процеси от нидерландско предприятие за преработка на храни. Нейната опаковъчна линия се нуждаеше от бутилки, които да могат да се справят с честите измивания и изискванията за качество на хранителните продукти. Предоставихме безпръчкови цилиндри от неръждаема стомана с уплътнения, одобрени от FDA, които увеличиха времето за работа на производството им с 30%.

Преработка на храни

• Възможност за измиване: Защита IP67+
• Материали на FDA: Компоненти, безопасни за храните
• Устойчивост на корозия: Неръждаема конструкция
• Лесно почистване: Гладки повърхности

Автомобилно производство

• Приспособления за заваряване: Прецизно позициониране
• Инструменти за сглобяване: Инсталиране на компонента
• Оборудване за тестване: Автоматизирано тестване
• Контрол на качеството: Системи за инспекция

Заключение

Пневматичните цилиндри превръщат сгъстения въздух в линейно движение чрез прости принципи на налягането. Разбирането на основните понятия помага на инженерите да изберат подходящи цилиндри и да оптимизират работата на системата.

Често задавани въпроси относно пневматичните цилиндри