Пневматичен цилиндър с единично и двойно действие: Кой дизайн осигурява по-добра производителност за вашето приложение?

Инженерите често избират неправилния тип пневматичен цилиндър за своите приложения, което води до неадекватна производителност, прекомерна консумация на енергия и скъпоструващи промени в системата, които биха могли да бъдат избегнати при правилен първоначален избор.

Пневматичните цилиндри с единично действие използват сгъстен въздух за движение само в една посока с пружинно или гравитационно връщане, докато цилиндрите с двойно действие използват въздушно налягане както за разтягане, така и за прибиране, осигурявайки превъзходен контрол на силата, точност на позициониране и оперативна гъвкавост за повечето промишлени приложения.

Миналия месец Сара от предприятие за преработка на храни в Уисконсин се свърза с мен, след като нейните цилиндри с едно действие не можеха да осигурят адекватна сила на прибиране за опаковъчната й линия, което доведе до $35,000 загуба на продукция, преди да премине към нашите двойнодействащи цилиндри без ролки¹ възстановен пълен оперативен контрол.

Съдържание

• Какви са основните разлики в конструкцията на еднодействащите и двудействащите цилиндри?
• Как се сравняват работните характеристики на тези типове цилиндри?
• Кои приложения имат най-голяма полза от еднодействащи и двудействащи конструкции?
• Какви са компромисите между разходите и производителността на тези типове цилиндри?

Какви са основните разлики в конструкцията на еднодействащите и двудействащите цилиндри?

Разбирането на основните конструктивни разлики между пневматичните цилиндри с едно и с две действия е от съществено значение за вземането на информирани решения за избор, които оптимизират работата на системата и рентабилността.

Еднодействащите цилиндри имат един въздушен порт и използват сгъстен въздух за движение в една посока с пружинно връщане, докато двудействащите цилиндри имат два въздушни порта, които позволяват движение в двете посоки чрез редуване на подаването на въздух към противоположните страни на буталото.

Конструкция на еднодействащ цилиндър

Основни компоненти

Цилиндрите с единично действие съдържат тези основни елементи:

• Единичен въздушен порт: Разположен в единия край за подаване на въздух
• Възвратна пружина: Осигурява сила за обратното движение
• Сглобяване на буталото: Уплътнено бутало с еднопосочна въздушна камера
• Изпускателен отвор: Позволява изтичането на въздух при връщането на пружината
• Пролетна камера: Механизъм за връщане на пружината

Механизъм за връщане на пружината

Възвратната пружина изпълнява няколко функции:

• Сила на връщане: Осигурява енергия за движението на прибиране
• Задържане на позиция: Поддържа удължено или прибрано положение
• Безопасна работа при отказ: Връща цилиндъра в безопасно положение при загуба на въздух
• Контрол на скоростта: Скоростта на пружината влияе върху скоростта на връщане

Конструкция на двойнодействащия цилиндър

Дизайн с две камери

Цилиндри с двойно действие:

• Два отвора за въздух: Порт А и порт В за двупосочно подаване на въздух
• Разделено бутало: Разделя цилиндъра на две независими въздушни камери
• Запечатани камери: Предотвратяване на смесването на въздуха между страните на разтягане и прибиране
• Уплътняване на пръта: Поддържа целостта на налягането с външен прът

Изисквания към системата за управление

Работата с двойно действие изисква:

Динамика на вътрешното налягане

Профил на налягането с едно действие

Опит с цилиндрите с едно действие:

• Удължение: Пълно налягане на буталото
• Оттегляне: Атмосферно налягане само с пружинна сила
• Държане: Налягането на захранването поддържа позицията срещу пружината
• Консумация на въздух: Само по време на разтягане

Профил на налягането с двойно действие

Цилиндрите с двойно действие осигуряват:

• Удължение: Подаване на налягане към капачката, изпускане от края на пръта
• Оттегляне: Подаване на налягане към края на пръта, изпускане от края на капачката
• Задържане на позиция: Поддържано налягане в активната камера
• Модулация на силата: Променливо налягане за различни изисквания за сила

В Bepto произвеждаме както еднодействащи, така и двудействащи безпръстови цилиндри, като нашите двудействащи конструкции представляват 85% от избора на клиентите поради по-добрите им възможности за управление и оперативна гъвкавост.

Как се сравняват работните характеристики на тези типове цилиндри?

Оперативните разлики между пневматичните цилиндри с едно и с две действия оказват значително влияние върху пригодността им за различни индустриални приложения и изисквания за производителност.

Цилиндрите с двойно действие осигуряват 3-5 пъти по-голяма сила на прибиране, 50-80% по-добра точност на позициониране, променливо управление на скоростта в двете посоки и превъзходни възможности за работа с товари в сравнение с цилиндрите с единично действие, които разчитат на пружинно връщане с ограничена сила и контрол.

Сравнение на изходната сила

Възможности на силите за разширяване

И двата типа цилиндри могат да осигурят пълната номинална сила при разтягане:

• Еднократно действие: Сила = Налягане × Площ на буталото
• Двойно действие: Сила = Налягане × Площ на буталото
• Изпълнение: Възможност за еднаква сила на разтягане

Анализ на силата на прибиране

Силата на прибиране разкрива значителни разлики:

Характеристики на скоростта и управлението

Възможности за управление на скоростта

Възможностите за регулиране на скоростта варират значително:

Управление на скоростта с едно действие:

• Удължение: Контрол на дебита на входа или изхода
• Оттегляне: Само пружина и ограничение на изпускателната система
• Последователност: Променлива скорост в зависимост от промените в натоварването
• Прецизност: Ограничена точност на контрола

Двойнодействащ контрол на скоростта:

• Удължение: Пълно управление на потока с опции за включване/изключване на измервателен уред
• Оттегляне: Независима система за контрол на потока
• Последователност: Поддържане на скоростта независимо от натоварването
• Прецизност: Възможност за позициониране с висока точност

Точност на позициониране

Резултатите от позиционирането се различават значително:

Анализ на енергийната ефективност

Модели на потребление на въздух

Потреблението на енергия е различно при различните конструкции:

Еднократно действие Консумация:

• Удължение: Консумиран пълен обем въздух
• Оттегляне: Без консумация на въздух (с пружинно захранване)
• Държане: Необходимо е непрекъснато подаване на въздух
• Общо: По-ниска обща консумация на въздух

Двойно действие Консумация:

• Удължение: Пълно количество въздух до края на капачката
• Оттегляне: Пълен обем въздух до края на пръта
• Държане: Пилотен въздух само с подходящ вентил
• Общо: По-висока консумация на въздух, но по-добра ефективност

Скорост на цикъла и производителност

Максимални работни скорости

Възможностите за измерване на честотата на цикъла показват ясни разлики:

Ограничения за еднократно действие:

• Скорост на разширение: Ограничен от капацитета на въздушния поток
• Скорост на прибиране: Фиксирано от характеристиките на пружината
• Честота на цикъла: Обикновено 20-60 цикъла в минута
• Производителност: Ограничени от скоростта на връщане

Предимства на двойното действие:

• Скорост на разширение: Оптимизиран чрез контрол на потока
• Скорост на прибиране: Независим контрол
• Честота на цикъла: Възможни са до над 300 цикъла в минута
• Производителност: Максимално оптимизиране на скоростта

Адаптивност към околната среда

Влияние на температурата

Въздействието на работната температура е различно:

• Еднократно действие: Промените в скоростта на пружините влияят на производителността
• Двойно действие: Минимална температурна чувствителност
• Студено време: Пружините стават по-твърди, което се отразява на възвръщаемостта
• Горещи условия: Релаксацията на пружината намалява силата на връщане

Чувствителност на ориентацията на монтиране

Ефектите на гравитацията се различават в зависимост от дизайна:

• Еднократно действие: Производителността варира в зависимост от ъгъла на монтиране
• Двойно действие: Последователна работа при всякаква ориентация
• Вертикален монтаж: Критично съображение за еднодействащи
• Инвертирана операция: Може да се наложи помощ през пролетта

Майкъл, ръководител на поддръжката в автомобилен завод в Мичиган, обясни как преминаването от еднодействащи към нашите двудействащи безпръстови цилиндри е променило неговата монтажна линия: "Преминахме от 45 цикъла в минута на 120 цикъла в минута, а точността на позициониране се подобри толкова много, че премахнахме вторичната станция за регулиране, спестявайки $42,000 годишно от разходи за труд."

Кои приложения имат най-голяма полза от еднодействащи и двудействащи конструкции?

Различните индустриални приложения имат специфични изисквания, които правят пневматичните цилиндри с едно или с две действия оптимален избор по отношение на производителност, цена и надеждност.

Еднодействащите цилиндри са отлични за прости приложения за повдигане, притискане и безопасност, при които възвратната пружина осигурява безотказна работа, докато двойнодействащите цилиндри са от съществено значение за прецизно позициониране, обработка на материали и високоскоростна автоматизация, изискващи двупосочна сила и управление.

Идеални приложения с едно действие

Безопасност и системи за безопасност при отказ

Цилиндрите с единично действие осигуряват присъщи предимства по отношение на безопасността:

• Аварийни спирания: Пружинното връщане гарантира безопасна работа при отказ³ за загубата на въздух
• Предпазни огради: Автоматично прибиране при спадане на налягането на въздуха
• Спирачни системи: Пружинни спирачни механизми с въздушно освобождаване
• Задвижвания на клапани: Безопасно позициониране за управление на процеси

Лесно повдигане и затягане

Основните предимства на обработката на материали се дължат на конструкцията с едно действие:

Приложения, чувствителни към разходите

Цилиндрите с единично действие имат икономически предимства:

• По-ниски първоначални разходи: Опростената конструкция намалява цената
• Намалена консумация на въздух: Само при удължаване се използва сгъстен въздух
• Опростени контроли: 3-пътен клапан вместо 4-пътен клапан
• Спестявания от поддръжка: По-малко уплътнения и движещи се части

Оптимални приложения с двойно действие

Прецизно производство и монтаж

Цилиндрите с двойно действие са отлични за прецизни приложения:

• Сглобяване на компоненти: Прецизно позициониране и контролирана сила
• Проверка на качеството: Точно позициониране и движение на сондата
• Обработка на материали: Контролирано рязане, формоване и съединяване
• Операции по опаковане: Прецизна обработка и позициониране на продукта

Високоскоростна автоматизация

Приложенията с бърз цикъл изискват работа с двойно действие:

Приложения на опаковъчните линии:

• Изтласкване на продукта: Контролирано ускоряване и забавяне
• Оформяне на кашони: Прецизни операции по сгъване и биговане
• Поставяне на етикет: Точно позициониране и контрол на налягането
• Отхвърляне на качеството: Бързо и точно отстраняване на продукта

Системи за обработка на материали

Комплексната обработка на материали се възползва от двупосочното управление:

Специализирани съображения за приложение

Приложения на цилиндри без пръти

Цилиндрите без пръти обикновено са с двойно действие, защото:

• Възможност за дълъг ход: Връщането на пружината е непрактично за дълги ходове
• Прецизно позициониране: Точни спирания навсякъде по протежение на хода
• Двупосочни натоварвания: Еднакви възможности в двете посоки
• Ефективност на пространството: Компактният дизайн изисква захранване за връщане

Приложения в сурова среда

Факторите на околната среда оказват влияние върху подбора:

Предимства на еднократното действие:

• Устойчивост на замърсяване: По-малко уплътнения и портове
• Температурна стабилност: Работа на пружината при екстремни условия
• Простота: По-малко точки на повреда в тежки условия

Предимства на двойното действие:

• Запечатана работа: По-добра защита от замърсяване с правилно уплътняване
• Последователност на силите: Не се влияе от температурни колебания
• Надеждност: Предсказуема производителност независимо от условията

Специфични за индустрията предпочитания

Автомобилно производство

Приложенията в автомобилната индустрия обикновено предпочитат цилиндри с двойно действие:

• Монтажни линии: Прецизно позициониране и монтаж на частите
• Приспособления за заваряване: Контролирано притискане и позициониране
• Обработка на материали: Точно прехвърляне на части между станциите
• Контрол на качеството: Прецизни операции по проверка и изпитване

Преработка на храни и напитки

Приложенията за преработка на храни се различават в зависимост от функцията:

• Опаковка: Двойно действие за прецизно управление и скорост
• Системи за безопасност: Едностранно действие за безопасна работа при отказ
• Почистващи операции: Двойно действие за контролирано движение
• Работа с продукта: Специфичен за приложението избор въз основа на изискванията

Фармацевтично производство

Фармацевтичните приложения наблягат на прецизността и чистотата:

• Пресоване на таблети: Двойно действие за прецизен контрол на силата
• Опаковка: Двойно действие за точно позициониране
• Обработка на материали: Съвместими с чистите помещения конструкции с двойно действие
• Контрол на качеството: Прецизно позициониране за системи за инспекция

В Bepto помагаме на клиентите да изберат оптималния тип цилиндър за техните специфични приложения. Нашите инженери по приложенията анализират изискванията за сила, честотата на циклите, точността на позициониране и условията на околната среда, за да препоръчат най-рентабилното решение, което отговаря на изискванията за производителност.

Какви са компромисите между разходите и производителността на тези типове цилиндри?

Разбиране на обща цена на притежание⁴ и последиците за производителността помагат на инженерите да вземат информирани решения при избора между конструкции на пневматични цилиндри с едно и с две действия.

Докато цилиндрите с едно действие струват първоначално 20-40% по-малко и консумират 30-50% по-малко сгъстен въздух, цилиндрите с двойно действие осигуряват 200-400% по-висока производителност, 80-95% по-добра точност на позициониране и 40-60% по-ниски разходи за поддръжка, като обикновено осигуряват положителна възвръщаемост на инвестициите в рамките на 6-18 месеца в повечето приложения.

Анализ на първоначалната инвестиция

Сравнение на покупната цена

Разходите за компонентите варират значително при различните конструкции:

Фактори за сложност на системата

Системите с двойно действие изискват допълнителни компоненти:

• Допълнителни въздушни линии: Втора линия за захранване и фитинги
• По-сложни клапани: 4-посочно или 5-посочно управление на посоката
• Двоен контрол на потока: Независим контрол на скоростта за всяка посока
• Усъвършенствани контроли: По-сложни системи за управление

Анализ на оперативните разходи

Консумация на сгъстен въздух

Енергийните разходи се различават значително при различните конструкции:

Използване на въздуха с едно действие:

• Само разширение: Разход на въздух по време на разтягането
• Позиция на задържане: Необходимо е непрекъснато подаване на въздух
• Възвратен ход: Без консумация на въздух (с пружинно захранване)
• Типично потребление: 0,5-1,5 SCFM на цикъл

Използване на въздуха с двойно действие:

• И в двете посоки: Въздух, консумиран за удължаване и прибиране
• Задържане на позиция: Пилотен въздух само при подходяща конструкция на клапана
• По-високи дебити: По-бързото циклично движение изисква повече въздух
• Типично потребление: 1,0-3,0 SCFM на цикъл

Пример за изчисляване на разходите за енергия

За типично приложение, работещо 16 часа дневно, 250 дни годишно:

Ползи за производителността и ефективността

Подобрения във времето на цикъла

Цилиндрите с двойно действие позволяват по-бърза работа:

Сравнение на времето на цикъла:

• Еднократно действие: Ограничено от скоростта на връщане на пружината (обикновено 2-5 секунди)
• Двойно действие: Оптимизирани скорости в двете посоки (0,5-2 секунди)
• Увеличаване на производителността: 150-400% подобряване на честотата на циклите
• Въздействие върху приходите: Възможно е значително увеличение на производството

Предимства на качеството и прецизността

Точността на позициониране влияе върху качеството на продукта:

Разходи за поддръжка и надеждност

Изисквания за поддръжка

Разходите за поддръжка варират при различните конструкции:

Поддръжка с едно действие:

• Смяна на пружината: Умора на пружините с течение на времето
• Смяна на уплътнението: По-малко тюлени, но с критично значение
• Почистване: Опростен дизайн, по-лесен за поддръжка
• Типичен интервал: 500 000-2 000 000 цикъла

Поддръжка с двойно действие:

• Смяна на уплътнението: Повече уплътнения, но предвидимо износване
• Почистване на системата: По-сложна, но по-добра диагностика
• Превантивна поддръжка: Планирано на базата на броя на циклите
• Типичен интервал: 1,000,000-5,000,000 цикъла

Анализ на режима на отказ

Различните модели на повреда влияят на разходите:

Анализ на възвръщаемостта на инвестициите

Методология за изчисляване на възвръщаемостта на инвестициите

Вземете предвид тези фактори за анализ на възвръщаемостта на инвестициите:

Фактори за разходите:

• Първоначална инвестиция в оборудване
• Разходи за инсталиране и настройка
• Оперативни разходи за енергия
• Разходи за поддръжка и подмяна

Фактори на ползата:

• Увеличен производствен капацитет
• Подобрено качество на продукта
• Намалени разходи за труд
• Намаляване на времето за престой

Типични сценарии за възвръщаемост на инвестициите

Приложение за производство на големи обеми:

• Допълнителни инвестиции: $800 за система с двойно действие
• Подобряване на производителността: 200% увеличение на честотата на циклите
• Подобряване на качеството: 50% намаляване на брака
• Годишни спестявания: $15,000-25,000
• Период на възвръщаемост на инвестициите: 2-4 месеца

Среднообемно прецизно приложение:

• Допълнителни инвестиции: $1,200 за система с двойно действие
• Подобряване на позиционирането: 90% по-добра точност
• Намаляване на поддръжката: 40% по-малко сервизни повиквания
• Годишни спестявания: $8,000-12,000
• Период на възвръщаемост на инвестициите: 6-12 месеца

Матрица за вземане на решения за избор

Система за оценяване на заявленията

Използвайте тази матрица, за да оцените избора на тип бутилка:

Дженифър, която управлява снабдяването на производител на електроника в Колорадо, сподели своя опит: "Първоначално избрах цилиндри с едно действие, за да спестя $3,000 на нашата монтажна линия. В рамките на шест месеца загубихме $18,000 от производителността поради бавното време на цикъла и проблемите с позиционирането. След като преминахме към цилиндрите с двойно действие на Bepto, възстановихме инвестицията за четири месеца и продължаваме да спестяваме по $2,500 месечно благодарение на подобрената ефективност."

Заключение

Докато пневматичните цилиндри с едно действие предлагат по-ниски първоначални разходи и по-проста експлоатация, цилиндрите с двойно действие осигуряват по-висока производителност, прецизност и продуктивност, които обикновено оправдават по-високата им инвестиция чрез подобрена оперативна ефективност и намалени общи разходи за притежание.

Често задавани въпроси за пневматичните цилиндри с единично и двойно действие