Kaip veikia cilindras? Slaptas mechanizmas, kuris valdo 90% šiuolaikinės automatikos

Sugedus cilindrams, gamyklos grindys sustoja. Inžinieriai panikuoja, nes gamybos linijos sustoja be įspėjimo. Dauguma žmonių taip ir nesupranta elegantiškos fizikos, dėl kurios šie automatikos darbiniai arkliai veikia.

Cilindras veikia naudodamas suslėgtą orą arba hidraulinį skystį, kad susidarytų slėgio skirtumas stūmoklio paviršiuje ir skysčio slėgis virstų linijine mechanine jėga pagal Paskalio dėsnis¹ (F = P × A), todėl galima valdyti linijinį judėjimą pramonės automatizavimo srityje.

Praėjusią savaitę man skubiai paskambino gamyklos Italijoje vadovas Roberto, kurio išpilstymo linija neveikė 6 valandas. Jo techninės priežiūros komanda atsitiktinai keitė balionus, nesuprasdama, kodėl jie sugedo. Per vaizdo skambutį supažindinau juos su pagrindiniais veikimo principais, ir jie nustatė tikrąją problemą - užterštą oro tiekimą. Linija vėl pradėjo veikti per 30 minučių, taip sutaupydama $15 000 prarastos produkcijos.

Turinys

• Koks yra pagrindinis cilindro veikimo principas?
• Kaip veikia vidiniai komponentai?
• Kokį vaidmenį slėgis atlieka cilindro veikimui?
• Kaip veikia skirtingi cilindrų tipai?
• Kaip valdymo sistemos priverčia cilindrus veikti?
• Kokios jėgos ir skaičiavimai lemia cilindro veikimą?
• Kaip aplinkos veiksniai veikia cilindro veikimą?
• Kokios dažniausiai pasitaikančios problemos trukdo tinkamai eksploatuoti cilindrą?
• Kaip šiuolaikiniai balionai integruojami į automatizavimo sistemas?
• Išvada
• DUK apie cilindrų veikimą

Koks yra pagrindinis cilindro veikimo principas?

Pagrindinis cilindro veikimo principas remiasi vienu svarbiausių fizikos dėsnių, atrastų daugiau kaip prieš 350 metų.

Cilindrai veikia pagal Paskalio dėsnį, pagal kurį slėgis, veikiantis uždarą skystį, vienodai perduodamas visomis kryptimis, todėl, kai slėgio skirtumas veikia stūmoklio paviršiaus plotą, skysčio slėgį galima paversti linijine mechanine jėga.

Paskalio dėsnis Fondas

Blaise'as Pascalis 1653 m. atrado, kad slėgis, veikiantis bet kurioje uždaro skysčio vietoje, vienodai pasiskirsto visame skysčio tūryje. Šis principas yra visų hidraulinių ir pneumatinių cilindrų veikimo pagrindas.

Praktiškai, kai suslėgtas oras cilindre suspaudžiamas 6 barų slėgiu, tas pats 6 barų slėgis veikia kiekvieną cilindro paviršių, įskaitant stūmoklio paviršių.

Stūmoklis gali judėti, o kiti paviršiai - ne. Taip susidaro slėgio skirtumas, reikalingas linijinei jėgai ir judesiui sukurti.

Slėgio skirtumo koncepcija

Cilindrai veikia sukuriant skirtingą slėgį priešingose stūmoklio pusėse. Didesnis slėgis vienoje pusėje sukuria grynąją jėgą, kuri stumia stūmoklį į mažesnio slėgio pusę.

Slėgių skirtumas lemia išėjimo jėgą: jei vienoje pusėje yra 6 barai, o kitoje - 1 baras (atmosferinis), tai grynasis slėgio skirtumas yra 5 barai, veikiantys stūmoklio plotą.

Didžiausia jėga pasireiškia tada, kai vienoje pusėje yra visas sistemos slėgis, o kitoje pusėje - didžiausias įmanomas slėgio skirtumas.

Jėgos generavimo matematika

Pagrindinė jėgos lygtis F = P × A reglamentuoja visų cilindrų veikimą, kur jėga lygi slėgiui, padaugintam iš veiksmingo stūmoklio ploto. Ši paprasta priklausomybė lemia cilindro dydį ir našumą.

Slėgio matavimo vienetai visame pasaulyje skiriasi - 1 baras yra lygus 14,5 PSI arba 100 000 paskalų. Apskaičiuojant plotą, naudojamas efektyvusis stūmoklio skersmuo, atsižvelgiant į strypo plotą dvigubo veikimo konstrukcijose.

Dėl trinties nuostolių, sandarinimo pasipriešinimo ir srauto apribojimų, kurie mažina efektyvųjį slėgį, realiosios jėgos galia paprastai yra 85-90% teorinės.

Energijos konversijos procesas

Cilindrai sukauptą skysčio energiją paverčia naudingu mechaniniu darbu. Suslėgtame ore arba suslėgtame hidrauliniame skystyje yra potencinės energijos, kuri išsiskiria plėtimosi metu.

Pneumatinių (25-35%) ir hidraulinių (85-95%) sistemų energijos vartojimo efektyvumas labai skiriasi dėl suspaudimo nuostolių ir šilumos išsiskyrimo.

Keitimo procesas apima daugybę energijos transformacijų: elektros energija → suspaudimas → skysčio slėgis → mechaninė jėga → naudingasis darbas.

Kaip veikia vidiniai komponentai?

Supratimas, kaip sąveikauja vidiniai komponentai, atskleidžia, kodėl patikimai veikiantiems įrenginiams būtina tinkama techninė priežiūra ir kokybiški komponentai.

Vidiniai cilindro komponentai veikia kartu kaip integruota sistema, kurioje cilindro korpuse yra slėgis, stūmoklyje slėgis paverčiamas jėga, sandarikliai palaiko slėgio ribas, o strypas perduoda jėgą išorinėms apkrovoms.

Cilindro korpuso funkcija

Cilindro korpusas tarnauja kaip slėginis indas, kuriame yra darbinis skystis ir kuriame vyksta stūmoklio judėjimas. Daugumoje korpusų naudojami besiūliai plieniniai vamzdžiai arba aliuminio ekstruzijos, kad būtų užtikrintas optimalus stiprumo ir svorio santykis.

Vidinio paviršiaus apdaila turi lemiamos įtakos našumui - 0,4-0,8 Ra paviršiaus apdailos šlifuotos angos užtikrina sklandų veikimą. plombos veikimas² ir ilgesnis komponentų tarnavimo laikas.

Sienelės storis turi atlaikyti darbinį slėgį su atitinkamais saugos koeficientais. Standartiniai pramoniniai balionai gali dirbti su 10-16 barų slėgiu ir 4:1 saugos atsarga.

Korpuso medžiagos - anglinis plienas, skirtas bendram naudojimui, nerūdijantis plienas, skirtas naudoti korozijos aplinkoje, ir aliuminio lydiniai, skirti jautriam svoriui.

Stūmoklio surinkimo veikimas

Stūmoklis veikia kaip judanti slėgio riba, kuri skysčio slėgį paverčia linijine jėga. Stūmoklio konstrukcija daro didelę įtaką cilindro našumui, efektyvumui ir tarnavimo laikui.

Stūmoklių medžiagos paprastai yra aliuminis, skirtas lengvoms ir greitai veikiančioms sistemoms, arba plienas, skirtas didelės apkrovos ir didelės jėgos operacijoms. Medžiagos pasirinkimas turi įtakos pagreičio charakteristikoms ir jėgos pajėgumui.

Stūmoklio sandarikliai sukuria kritinę slėgio ribą tarp cilindrų kamerų. Pirminiai sandarikliai padeda sulaikyti slėgį, o antriniai sandarikliai apsaugo nuo nuotėkio ir užteršimo.

Stūmoklio skersmuo tiesiogiai lemia išleidžiamą jėgą pagal formulę F = P × A. Didesni stūmokliai sukuria didesnę jėgą, tačiau jiems reikia didesnio skysčio tūrio ir srauto talpos.

Sandarinimo sistemos integracija

Sandarikliai veikia kaip integruota sistema, kurioje kiekvienas tipas atlieka tam tikras funkcijas. Pirminiai stūmoklio sandarikliai palaiko slėgio atskyrimą, strypiniai sandarikliai apsaugo nuo išorinio nuotėkio, o valytuvai pašalina teršalus.

Sandariklių medžiagos turi atitikti darbo sąlygas: NBR - bendram naudojimui, poliuretanas - atsparumui dilimui, PTFE - cheminiam suderinamumui, Vitonas - aukštai temperatūrai.

Sandariklių montavimas reikalauja tikslios technikos ir tinkamo tepimo. Netinkamas montavimas iš karto sukelia gedimą ir prastą veikimą, kuris turi įtakos visai sistemai.

Sandariklių veikimas turi tiesioginės įtakos cilindro efektyvumui, nes susidėvėję sandarikliai mažina išėjimo jėgą ir sukelia netolygų veikimą, kuris turi įtakos gamybos kokybei.

Strypo ir galinio dangtelio mazgas

Stūmoklio strypas perduoda cilindro jėgą išorinėms apkrovoms, išlaikydamas slėginio sandariklio vientisumą. Strypo konstrukcija turi atlaikyti veikiančias jėgas be išlinkimo ar pernelyg didelio įlinkimo.

Strypų medžiagos - chromuotas plienas, atsparus korozijai, nerūdijantis plienas, skirtas naudoti atšiaurioje aplinkoje, ir specialūs lydiniai, skirti naudoti ekstremaliomis sąlygomis.

Galiniai dangteliai užsandarina cilindro galus ir suteikia tvirtinimo taškus. Jie turi atlaikyti visą sistemos slėgį ir išorines montavimo apkrovas be gedimų ar nuotėkio.

Montavimo konfigūracijos apima tvirtinimo ant šarnyro, strypo, flanšo ir kojelės būdus. Tinkamai parinkus montavimo būdą, išvengiama įtempių koncentracijos ir ankstyvo komponentų gedimo.

Kokį vaidmenį slėgis atlieka cilindro veikimui?

Slėgis yra pagrindinis energijos šaltinis, leidžiantis cilindrui veikti ir lemiantis eksploatacines charakteristikas.

Slėgis vaidina pagrindinį vaidmenį cilindro veikime, nes suteikia judesio varomąją jėgą, lemia didžiausią išėjimo jėgą, daro įtaką darbiniam greičiui ir daro įtaką sistemos efektyvumui bei patikimumui.

Slėgis kaip energijos šaltinis

Suslėgtame ore arba hidrauliniame skystyje, esančiame po slėgiu, yra sukaupta energija, kuri išleidus virsta mechaniniu darbu. Didesnis slėgis sukaupia daugiau energijos tūrio vienetui.

Slėgio energijos tankis pneumatinėse ir hidraulinėse sistemose labai skiriasi. Hidraulinėse sistemose veikia 100-300 barų slėgis, o pneumatinėse - 6-10 barų.

Energijos išsiskyrimo greitis priklauso nuo srauto talpos ir slėgio skirtumo. Greiti slėgio pokyčiai leidžia greitai valdyti cilindrą, o kontroliuojamas išleidimas užtikrina sklandų judėjimą.

Kad sistemos slėgis išliktų stabilus, jis turi būti pastovus. Slėgio svyravimai lemia netolygų judėjimą ir sumažėjusią išėjimo jėgą, o tai turi įtakos produkcijos kokybei.

Jėgos išėjimo santykis

Jėgos galia tiesiogiai priklauso nuo darbinio slėgio pagal formulę F = P × A. Padvigubinus slėgį, padvigubėja pasiekiama jėga, todėl slėgio kontrolė yra labai svarbi našumui.

Efektyvusis slėgis lygus tiekimo slėgiui, atėmus nuostolius dėl vožtuvų, jungiamųjų detalių ir srauto apribojimų. Norint pasiekti optimalų našumą, sistemos konstrukcija turi sumažinti šiuos nuostolius.

Slėgio skirtumas stūmoklyje lemia grynąją jėgą. Priešslėgis išmetimo pusėje sumažina efektyvųjį slėgį ir išleidžiamąją jėgą.

Didžiausia teorinė jėga pasiekiama esant didžiausiam sistemos slėgiui ir atmosferos išmetimo slėgiui, todėl susidaro didžiausias įmanomas slėgio skirtumas.

Greičio reguliavimas per slėgį

Cilindro greitis priklauso nuo srauto greičio, kuris susijęs su slėgio skirtumu per srauto apribojimus. Didesnis slėgių skirtumas padidina srauto greitį ir cilindro greitį.

Srauto reguliavimo vožtuvai greičiui reguliuoti naudoja slėgio kritimą. Matuoklio įleidimo valdymas riboja tiekiamą srautą, o matuoklio išleidimo valdymas riboja išmetimo srautą, kad būtų užtikrintos skirtingos charakteristikos.

Reguliuojant slėgį išlaikomas pastovus greitis, nepaisant apkrovos svyravimų. Be reguliavimo greitis kinta kintant apkrovai ir kintant tiekimo slėgiui.

Greitojo išmetimo vožtuvai apeina srauto apribojimus ir pagreitina judėjimą, nes leidžia greitai išleisti slėgį tiesiai į atmosferą.

Sistemos slėgio valdymas

Slėgio reguliatoriai palaiko pastovų darbinį slėgį, nepaisant tiekimo svyravimų. Taip užtikrinamas pasikartojantis veikimas ir komponentai apsaugomi nuo per didelio slėgio.

Slėgio apsauginiai vožtuvai užtikrina saugos apsaugą, nes riboja didžiausią sistemos slėgį. Jie apsaugo nuo slėgio šuolių ar sistemos veikimo sutrikimų.

Akumuliatorių sistemose saugomas suslėgtas skystis, kad būtų galima patenkinti didžiausius poreikius ir išlyginti slėgio svyravimus. Jos pagerina sistemos reakciją ir efektyvumą.

Slėgio stebėjimas leidžia atlikti prognozuojamąją techninę priežiūrą, nes leidžia aptikti nuotėkius, užsikimšimus ir komponentų gedimus, kol jie dar nesukėlė gedimų.

Kaip veikia skirtingi cilindrų tipai?

Įvairios cilindrų konstrukcijos veikia tais pačiais pagrindiniais principais, tačiau jų skirtingos konfigūracijos optimizuotos konkrečioms reikmėms ir eksploataciniams reikalavimams.

Skirtingi cilindrų tipai veikia pagal tą patį slėgio skirtumo principą, tačiau skiriasi jų įjungimo būdas, montavimo būdas ir vidinė konfigūracija, kad būtų optimizuotas veikimas konkrečioms reikmėms ir darbo sąlygoms.

Vieno veikimo cilindro veikimas

Viengubo veikimo cilindruose slėgis veikia tik vieną stūmoklio pusę, o grįžtamajam judesiui užtikrinti naudojamos spyruoklės arba sunkio jėga. Tokia paprasta konstrukcija sumažina oro sąnaudas ir valdymo sudėtingumą.

Spyruokliniuose cilindruose, kai slėgis atslūgsta, stūmoklį įtraukia vidinės suspaudimo spyruoklės. Spyruoklės jėga turi įveikti trintį ir išorines apkrovas, kad grįžimas būtų patikimas.

Gravitacinės grąžinimo konstrukcijos priklauso nuo svorio arba išorinių jėgų. Tai tinka vertikaliems darbams, kai gravitacija padeda grįžti atgal ir nereikia spyruoklių.

Išduodamą jėgą riboja spyruoklės jėga ištiesimo metu. Spyruoklė sumažina grynąją jėgą išoriniam darbui, todėl reikia didesnių cilindrų, kad būtų pasiektas toks pat našumas.

Dvigubo veikimo cilindro veikimas

Dvigubo veikimo cilindrai pakaitomis spaudžia abi puses, todėl judesiai atliekami abiem kryptimis, nepriklausomai valdant greitį ir jėgą.

Ištraukimo ir įtraukimo jėgos skiriasi dėl strypo ploto, kuris vienoje pusėje sumažina efektyvųjį stūmoklio plotą. Išstūmimo jėga paprastai yra 15-20% didesnė už įtraukimo jėgą.

Nepriklausomas srauto valdymas leidžia pasiekti skirtingus greičius kiekviena kryptimi, taip optimizuojant ciklo trukmę, atsižvelgiant į skirtingas apkrovos sąlygas ir taikymo reikalavimus.

Padėties išlaikymo gebėjimas yra puikus, nes slėgis išlaiko padėtį prieš išorines jėgas abiem kryptimis nenaudojant energijos.

Teleskopinio cilindro funkcija

Teleskopiniai cilindrai pasiekia ilgą eigą kompaktiškose pakuotėse, naudodami kelias nuosekliai išdėstytas pakopas, kurios išsitraukia nuosekliai. Kiekviena pakopa išsitraukia iki galo prieš pradedant kitą.

Slėgio nukreipimo sistemos užtikrina tinkamą sekos veikimą per vidinius kanalus arba išorinius kolektorius, kuriais kontroliuojamas srautas į kiekvieną pakopą.

Jėgos našumas mažėja su kiekvienu išplėtimo etapu, nes mažėja efektyvusis plotas. Pirmoji pakopa suteikia didžiausią jėgą, o paskutinioji - mažiausią.

Įtraukimas vyksta atvirkštine tvarka, pirmiausia įtraukiama paskutinė ištraukta pakopa. Taip išlaikomas struktūrinis vientisumas ir išvengiama sukibimo.

Rotacinio cilindro veikimas

Sukamieji cilindrai, kuriuose linijinis stūmoklio judesys paverčiamas sukamuoju, naudojant vidinius krumpliaratinius arba mentinius mechanizmus, kai reikia sukamojo judesio.

Konstrukcijose su krumpliaračiu ir krumpliaračiu naudojamas linijinis stūmoklio judesys, kuriuo varomas krumpliaratinis krumpliaratis, sukantis krumpliaratinį veleną. Sukimosi kampas priklauso nuo eigos ilgio ir krumpliaračio santykio.

Lėkštiniuose sukamuosiuose cilindruose tiesioginiam sukamajam judesiui sukurti naudojamas slėgis, veikiantis į lėkštes, nenaudojant linijinio pavertimo sukamuoju mechanizmo.

Sukimo momentas priklauso nuo slėgio, efektyviojo ploto ir momentinės svirties. Didesnis slėgis ir didesnis efektyvusis plotas padidina galimą sukimo momentą.

Kaip valdymo sistemos priverčia cilindrus veikti?

Valdymo sistemos organizuoja cilindrų darbą, valdydamos oro srautą, slėgį ir laiką, kad būtų pasiekti pageidaujami judėjimo profiliai ir sistemos koordinavimas.

Valdymo sistemos užtikrina cilindrų veikimą naudodamos kryptinius vožtuvus skysčio srauto krypčiai valdyti, srauto reguliavimo vožtuvus greičiui reguliuoti, slėgio valdiklius jėgai valdyti ir jutiklius, kurie užtikrina grįžtamąjį ryšį, kad darbas būtų tikslus.

Kryptinio valdymo vožtuvo veikimas

Krypties valdymo vožtuvai nustato skysčio srauto kelius, kuriais ištraukiami arba įtraukiami cilindrai. Įprastinės konfigūracijos yra 3/2 krypčių vienpusio veikimo ir 5/2 krypčių dvigubo veikimo cilindrams.

Vožtuvo įjungimo būdai yra rankinis, pneumatinis bandomasis, elektromagnetinis ir mechaninis valdymas. Pasirinkimas priklauso nuo valdymo sistemos reikalavimų ir taikymo poreikių.

Vožtuvo atsako laikas turi įtakos sistemos našumui didelės spartos programose. Greito veikimo vožtuvai leidžia greitai keisti kryptį ir tiksliai valdyti laiką.

Srauto našumas turi atitikti cilindro reikalavimus, kad būtų galima pasiekti norimą darbinį greitį. Nepakankamo dydžio vožtuvai sukuria apribojimus, kurie riboja našumą ir efektyvumą.

Srauto valdymo integracija

Srauto reguliavimo vožtuvai reguliuoja skysčio srautą, kad būtų galima valdyti cilindro greičio ir pagreičio charakteristikas. Įjungimo-išjungimo valdymas veikia pagreitį, o išjungimo - lėtėjimą.

Dviejų krypčių srauto valdymas leidžia nepriklausomai reguliuoti ištraukimo ir įtraukimo judesių greitį, taip optimizuojant ciklo trukmę esant skirtingoms krovimo sąlygoms.

Slėgio kompensavimo srauto valdymo įtaisai palaiko pastovų greitį, nepaisant slėgio svyravimų, todėl užtikrinamas pasikartojantis našumas įvairiomis darbo sąlygomis.

Elektroninis srauto valdymas naudoja proporcinius vožtuvus tiksliam, programuojamam greičio reguliavimui su kintamais pagreičio ir lėtėjimo profiliais.

Slėgio kontrolės sistemos

Slėgio reguliatoriai palaiko pastovų darbinį slėgį, kad jėgos našumas būtų pasikartojantis ir stabilus, nepaisant tiekimo slėgio svyravimų.

Slėgio jungikliai užtikrina paprastą grįžtamąjį ryšį apie padėtį pagal slėgį kameroje, nustato eigos pabaigos sąlygas ir sistemos veikimo sutrikimus.

Proporcinis slėgio valdymas leidžia keisti išėjimo jėgą, kai reikia naudoti skirtingą jėgą darbo metu arba skirtingus produktus.

Slėgio stebėjimo sistemos nustato nuotėkius, užsikimšimus ir komponentų gedimus, kol jie nesukėlė sistemos gedimų ar pavojaus saugai.

Jutiklių integravimas

Padėties jutikliai užtikrina grįžtamąjį ryšį uždarosiose valdymo sistemose. Galimi variantai: magnetiniai nendriniai jungikliai, Hallo efekto jutikliai ir linijiniai davikliai, atitinkantys skirtingus tikslumo reikalavimus.

Ribiniai jungikliai aptinka eigos pabaigos padėtį ir užtikrina apsauginius blokatorius, kad būtų išvengta per didelės eigos ir sistemos komponentai būtų apsaugoti nuo pažeidimų.

Slėgio jutikliai stebi sistemos veikimą ir aptinka kylančias problemas, pvz., nuotėkius, apribojimus ar komponentų nusidėvėjimą, dar prieš atsirandant gedimams.

Temperatūros jutikliai apsaugo nuo perkaitimo nepertraukiamo veikimo režimuose ir teikia duomenis prognozuojamos techninės priežiūros programoms.

Sistemos integravimo pajėgumai

PLC integracija leidžia koordinuoti su kitomis mašinos funkcijomis naudojant standartinius ryšių protokolus ir įvesties/išvesties jungtis sudėtingoms automatizavimo sistemoms.

Tinklo ryšys leidžia nuotoliniu būdu stebėti ir valdyti per pramoniniai tinklai³ Ethernet/IP, Profibus arba DeviceNet, kad būtų galima centralizuotai valdyti.

HMI sąsajos suteikia operatoriaus valdymo ir sistemos stebėjimo galimybes naudojant jutiklinius ekranus ir grafines naudotojo sąsajas.

Duomenų registravimas fiksuoja veiklos informaciją, skirtą analizei, trikčių šalinimui ir sistemos veikimo bei techninės priežiūros procedūrų optimizavimui.

Kokios jėgos ir skaičiavimai lemia cilindro veikimą?

Supratimas apie jėgas ir skaičiavimus, susijusius su cilindro veikimu, leidžia tinkamai parinkti dydį, numatyti našumą ir optimizuoti sistemą.

Cilindro veikimą lemia jėgos skaičiavimai (F = P × A), greičio lygtys (V = Q/A), pagreičio analizė (F = ma) ir efektyvumo koeficientai, pagal kuriuos nustatomi dydžio reikalavimai ir eksploatacinės charakteristikos.

Pagrindiniai jėgos skaičiavimai

Teorinė jėga lygi slėgiui, padaugintam iš veiksmingo stūmoklio ploto: F = P × A. Ši pagrindinė lygtis nustato didžiausią galimą jėgą idealiomis sąlygomis.

Dvigubo veikimo cilindrų veiksmingasis plotas skiriasi tarp ištraukimo ir įtraukimo: A_extend = π × D²/4, A_retract = π × (D² - d²)/4, kur D - stūmoklio skersmuo, o d - strypo skersmuo.

Praktinė jėga atsižvelgia į efektyvumo nuostolius, kurie dėl trinties, sandarinimo pasipriešinimo ir srauto apribojimų paprastai siekia 85-90% teorinės vertės.

Apskaičiuotoms apkrovoms turėtų būti taikomi saugos koeficientai, paprastai 1,5-2,5, priklausomai nuo taikomosios programos kritiškumo ir apkrovos neapibrėžtumo.

Greičio ir srauto santykiai

Cilindro sūkių dažnis susijęs su tūriniu srautu: V = Q/A, kur greitis lygus srauto greičiui, padalytam iš veiksmingo stūmoklio ploto.

Srauto greitis priklauso nuo vožtuvo talpos, slėgio skirtumo ir sistemos apribojimų. Srauto apribojimai bet kurioje sistemos vietoje sumažina didžiausią pasiekiamą greitį.

Pagreičio laikas priklauso nuo grynosios jėgos ir judančios masės: t = (V × m)/F_net, kai didesnės grynosios jėgos leidžia greičiau pagreitėti iki norimo greičio.

Lėtėjimo charakteristikos priklauso nuo išmetamųjų dujų srauto pralaidumo ir priešslėgio. Lėtėjimą kontroliuoja amortizacijos sistemos, kad būtų išvengta smūginių apkrovų.

Apkrovos analizės reikalavimai

Statines apkrovas sudaro komponento svoris, proceso jėgos ir trintis. Visos statinės jėgos turi būti įveiktos prieš pradedant judėti.

Dinaminės apkrovos judėjimo metu sukuria pagreičio jėgas: F_dinaminė = F_statinė + (m × a), kai pagreičio jėgos gali gerokai viršyti statines apkrovas.

Norint tinkamai parinkti kreipiamosios sistemos dydį, reikia atsižvelgti į šonines apkrovas ir momentus. Be išorinių kreipiančiųjų cilindrų šoninės apkrovos pajėgumas yra ribotas.

Kombinuotoji apkrovos analizė užtikrina, kad visi jėgos komponentai atitiktų cilindro ir sistemos galimybes ir užtikrintų patikimą veikimą.

Oro suvartojimo skaičiavimai

Oro sąnaudos per ciklą lygios cilindro tūrio ir slėgio santykio santykiui: V_oro = V_cilindro × (P_absolutas/P_atmosfera).

Dvigubo veikimo cilindrai vartoja orą abiem eigoms, o viengubo veikimo cilindrai vartoja orą tik varomosios eigos kryptimi.

Sistemos nuostoliai dėl vožtuvų, jungiamųjų detalių ir nuotėkio paprastai padidina teorines suvartojimo vertes 20-30%.

Kompresoriaus dydis turi atitikti didžiausią paklausą ir nuostolius bei turėti pakankamą rezervinį pajėgumą, kad darbo metu slėgis nesumažėtų.

Veiklos optimizavimas

Parenkant kiaurymės dydį išlaikoma pusiausvyra tarp jėgos poreikių ir greičio bei oro sąnaudų. Didesnės skylės suteikia daugiau jėgos, tačiau sunaudoja daugiau oro ir gali judėti lėčiau.

Takto ilgis turi įtakos oro sąnaudoms ir reakcijos laikui. Ilgesniems ėjimams reikia didesnio oro kiekio ir ilgesnio užpildymo laiko judesiui inicijuoti.

Optimizuojant darbinį slėgį atsižvelgiama į jėgos poreikius, energijos sąnaudas ir komponentų eksploatavimo trukmę. Didesnis slėgis sumažina cilindro dydį, bet padidina energijos sąnaudas.

Sistemos efektyvumas padidėja tinkamai parinkus komponentų dydį, nustačius minimalius slėgio kritimus ir efektyviai apdorojant orą, todėl sumažėja nuostoliai ir priežiūra.

Kaip aplinkos veiksniai veikia cilindro veikimą?

Aplinkos sąlygos daro didelę įtaką cilindro veikimui, patikimumui ir tarnavimo laikui dėl įvairių mechanizmų, į kuriuos būtina atsižvelgti projektuojant sistemą.

Aplinkos veiksniai veikia cilindro veikimą dėl temperatūros pokyčių, kurie keičia skysčio savybes ir sandariklių veikimą, dėl užterštumo, kuris sukelia nusidėvėjimą ir gedimus, dėl drėgmės, kuri sukelia koroziją, ir dėl vibracijos, kuri pagreitina komponentų nuovargį.

Temperatūros poveikis veikimui

Darbinė temperatūra turi įtakos skysčio klampai, tankiui ir slėgiui. Aukštesnė temperatūra mažina oro tankį ir efektyvią pneumatinių sistemų išėjimo jėgą.

Sandariklių medžiagoms nustatytos temperatūros ribos, turinčios įtakos eksploatacinėms savybėms ir ilgaamžiškumui. Standartiniai NBR sandarikliai veikia nuo -20 °C iki +80 °C, o specializuotos medžiagos išplečia temperatūros diapazoną.

Sudedamųjų dalių šiluminis plėtimasis gali turėti įtakos laisvumui ir sandariklio veikimui. Konstrukcija turi būti pritaikyta prie šiluminio augimo, kad būtų išvengta sukibimo ar pernelyg didelio nusidėvėjimo.

Kondensacija atsiranda, kai suslėgtas oras atvėsta žemiau rasos taško temperatūros. Vandens sankaupos sukelia koroziją, užšalimą ir nestabilų veikimą.

Taršos poveikis

Dulkės ir šiukšlės sukelia sandariklių nusidėvėjimą, vožtuvų klijavimą ir vidinių komponentų pažeidimus. Užterštumas yra pagrindinė ankstyvo cilindrų gedimo priežastis.

Dalelių dydis turi įtakos pažeidimo sunkumui - didesnės už sandariklio tarpą dalelės pažeidžia iš karto, o mažesnės dalelės dėvisi palaipsniui.

Cheminė tarša pažeidžia sandariklius ir sukelia koroziją. Medžiagų suderinamumas labai svarbus aplinkoje, kurioje yra cheminių medžiagų, tirpiklių ar technologinių skysčių.

Dėl drėgmės užterštumo vidiniai komponentai koroduoja, o esant šaltiems orams gali užšalti, užkimšti oro kanalus ir neleisti veikti.

Drėgmė ir korozija

Didelė drėgmė padidina kondensacijos riziką suslėgto oro sistemose. Vėsinant orą kondensuojasi vandens garai, todėl sistemoje susidaro skystas vanduo.

Korozija paveikia plieninius komponentus ir gali sukelti įskilimus, apnašas ir galiausiai gedimą. Nerūdijantis plienas arba apsauginės dangos apsaugo nuo korozijos daromos žalos.

Galvaninė korozija vyksta, kai skirtingi metalai liečiasi esant drėgmei. Tinkamai parinktos medžiagos padeda išvengti galvaninės korozijos problemų.

Drenažo sistemos turi pašalinti susikaupusį vandenį iš žemų sistemos taškų. Automatinis drenažas neleidžia kauptis vandeniui, kuris sukelia eksploatacinių problemų.

Vibracijos ir smūgių poveikis

Dėl mechaninės vibracijos atsilaisvina tvirtinimo detalės, pasislenka sandarikliai ir nuvargsta komponentai. Tinkamas montavimas ir izoliavimas apsaugo nuo vibracijos daromos žalos.

Smūginės apkrovos, atsirandančios dėl staigaus krypties pasikeitimo arba išorinių smūgių, gali pažeisti vidinius komponentus. Amortizavimo sistemos sumažina smūgines apkrovas ir prailgina tarnavimo laiką.

Rezonansas sustiprina vibracijos poveikį, kai darbiniai dažniai sutampa su komponentų savaisiais dažniais. Projektuojant reikėtų vengti rezonansinių sąlygų.

Pamato stabilumas turi įtakos sistemos veikimui. Tvirtas montavimas apsaugo nuo pernelyg didelės vibracijos, o lankstus montavimas užtikrina izoliaciją.

Aukščio ir slėgio poveikis

Dideliame aukštyje sumažėja atmosferos slėgis, o tai turi įtakos pneumatinio cilindro veikimui. Mažėjant atmosferos priešslėgiui, mažėja išvystoma jėga.

Atliekant slėgio skirtumo skaičiavimus reikia atsižvelgti į aukščio poveikį. Jūros lygio skaičiavimai tiesiogiai netaikomi dideliame aukštyje esantiems įrenginiams.

Oro tankis mažėja didėjant aukščiui, todėl mažėja masės srautas ir tai turi įtakos cilindro sūkių dažnio charakteristikoms, esant pastoviam tūriniam srautui.

Kompresoriaus našumas taip pat mažėja su aukščiu virš jūros lygio, todėl sistemos našumui palaikyti reikia didesnių kompresorių arba didesnio darbinio slėgio.

Kokios dažniausiai pasitaikančios problemos trukdo tinkamai eksploatuoti cilindrą?

Supratus dažniausiai pasitaikančias problemas ir jų pagrindines priežastis, galima taikyti veiksmingas gedimų šalinimo ir prevencinės techninės priežiūros strategijas.

Dažniausiai pasitaikančios cilindrų problemos: sandariklio nesandarumas, dėl kurio prarandama jėga, užterštumas, sukeliantis netolygų judėjimą, netinkamas dydis, lemiantis prastą veikimą, ir netinkamas oro valymas⁴ dėl to komponentas sugenda anksčiau laiko.

Su sandarikliais susijusios problemos

Dėl vidinio nuotėkio tarp kamerų sumažėja išleidžiamos jėgos našumas ir veikia vangiai. Dažniausia veikimo pablogėjimo priežastis - susidėvėję stūmoklio sandarikliai.

Išorinis nuotėkis aplink strypą kelia pavojų saugai ir eikvoja suspaustą orą. Strypo sandariklio gedimas paprastai atsiranda dėl užteršimo arba paviršiaus pažeidimo.

Sandariklių išspaudimas įvyksta, kai sandarikliai, veikiant dideliam slėgiui, įspraudžiami į tarpų tarpus. Tai pažeidžia sandariklius ir sukuria nuolatinius nuotėkio kelius.

Dėl karščio ar cheminių medžiagų poveikio sukietėjęs sandariklis sumažina lankstumą ir sandarinimo efektyvumą. Tinkamai parinkta medžiaga padeda išvengti cheminio suderinamumo problemų.

Užterštumo klausimai

Užterštumas dalelėmis spartina sandariklių dėvėjimąsi ir sukelia vožtuvo gedimus. Netinkamas filtravimas yra pagrindinė užterštumo problemų priežastis.

Vandens užterštumas sukelia koroziją, o esant šaltiems orams gali užšalti. Tinkamas džiovinimas oru užkerta kelią su vandeniu susijusioms problemoms ir prailgina komponentų tarnavimo laiką.

Kompresorių užterštumas alyva sukelia sandariklių išbrinkimą ir degradaciją. Kompresoriai be alyvos arba veiksmingas alyvos šalinimas užkerta kelią taršai.

Cheminė tarša pažeidžia sandariklius ir metalinius komponentus. Medžiagų suderinamumo analizė apsaugo nuo cheminės žalos atšiaurioje aplinkoje.

Dydžio nustatymo ir taikymo problemos

Nepakankamai dideli cilindrai negali suteikti reikiamos jėgos, todėl veikia lėtai arba negali užbaigti darbo ciklo.

Per dideli cilindrai eikvoja energiją ir gali veikti per greitai, kad būtų galima tinkamai valdyti. Tinkamas dydis optimizuoja našumą ir energijos vartojimo efektyvumą.

Netinkamos kreipiamosios sistemos sukelia šoninę apkrovą, kuri suriša ir per anksti susidėvi. Naudojant šoninės apkrovos sistemas gali prireikti išorinių kreipiančiųjų.

Dėl netinkamo montavimo susidaro įtempių koncentracijos ir nesutapimų, kurie spartina komponentų dėvėjimąsi ir mažina sistemos patikimumą.

Sistemos projektavimo klausimai

Nepakankama srauto talpa riboja cilindro greitį ir sukelia slėgio kritimus, kurie mažina jėgos našumą ir sistemos efektyvumą.

Netinkamai parinktas vožtuvas turi įtakos reakcijos laikui ir srauto charakteristikoms. Norint užtikrinti optimalų veikimą, vožtuvo talpa turi atitikti baliono reikalavimus.

Nepakankamas oro apdorojimas leidžia užterštumui ir drėgmei pažeisti komponentus. Tinkamas filtravimas ir džiovinimas yra būtini patikimumui užtikrinti.

Netinkamas slėgio reguliavimas lemia netolygų veikimą ir gali sugadinti komponentus dėl per didelio slėgio.

Su technine priežiūra susijusios problemos

Nedažnai keičiant filtrus, kaupiasi teršalai, kurie gadina komponentus ir mažina sistemos patikimumą bei našumą.

Dėl netinkamo tepimo padidėja trintis ir pagreitėja dėvėjimasis. Problemų kyla ir dėl nepakankamo, ir dėl per didelio tepimo.

Dėl pavėluoto sandariklių keitimo nedideli nesandarumai gali virsti dideliais gedimais, dėl kurių prireikia kapitalinio remonto ir prailgėja prastovos laikas.

Veiklos stebėsenos trūkumas neleidžia anksti aptikti kylančių problemų, kurias būtų galima ištaisyti prieš sukeliant gedimus.

Kaip šiuolaikiniai balionai integruojami į automatizavimo sistemas?

Šiuolaikiniuose balionuose įdiegtos pažangios technologijos ir ryšio galimybės, leidžiančios sklandžiai integruoti juos su sudėtingomis automatizavimo sistemomis.

Šiuolaikiniai balionai integruojami į automatizavimo sistemas naudojant integruotus jutiklius, užtikrinančius grįžtamąjį ryšį apie padėtį, elektroninius valdiklius, užtikrinančius tikslų veikimą, ryšio protokolus, leidžiančius prisijungti prie tinklo, ir diagnostikos galimybes, leidžiančias atlikti prognozuojamąją techninę priežiūrą.

Jutiklių integravimo technologijos

Įterptieji padėties jutikliai pašalina išorinio jutiklio reikalavimus ir kartu užtikrina tikslų padėties grįžtamąjį ryšį uždarosiose valdymo sistemose.

Magnetiniai jutikliai nustato stūmoklio padėtį per cilindro sieneles, naudodami Hallo efekto arba magnetorezistencines technologijas, kurios perduoda analoginius padėties signalus.

Ant išorinių vežimėlių sumontuoti optiniai kodavimo įtaisai užtikrina aukščiausios skiriamosios gebos padėties grįžtamąjį ryšį, skirtą tiksliam padėties nustatymui.

Slėgio jutikliai stebi slėgį kameroje, kad būtų galima gauti grįžtamąjį ryšį apie jėgą ir diagnostinę informaciją, leidžiančią taikyti pažangias valdymo strategijas ir stebėti būklę.

Elektroninio valdymo integracija

Servo vožtuvai užtikrina proporcingą srauto valdymą pagal elektrinių komandų signalus, todėl galima tiksliai valdyti greitį ir padėtį, naudojant programuojamus profilius.

Elektroninis slėgio valdymas naudoja proporcingus slėgio vožtuvus, kad būtų užtikrinta kintama išėjimo jėga ir slėgio reguliavimas, užtikrinantis pastovų našumą.

Integruoti valdikliai sujungia vožtuvų valdymo, jutiklių apdorojimo ir ryšių funkcijas kompaktiškose pakuotėse, kurios supaprastina sistemos integraciją.

Lauko magistralės ryšys suteikia galimybę naudoti paskirstytą valdymo architektūrą, kai atskiri balionai tiesiogiai bendrauja su centrinėmis valdymo sistemomis.

Ryšių protokolų palaikymas

Pramoninio eterneto protokolai, įskaitant EtherNet/IP, Profinet ir EtherCAT, leidžia palaikyti didelės spartos ryšį ir koordinuoti valdymą realiuoju laiku.

Fieldbus protokolai, tokie kaip DeviceNet, Profibus ir CANopen, užtikrina patikimą ryšį paskirstytoms valdymo programoms.

Belaidžio ryšio galimybės leidžia stebėti ir valdyti mobiliuosius ar nutolusius balionus be fizinių kabelių jungčių.

OPC-UA palaikymas užtikrina standartizuotą ryšį Pramonės 4.0 taikomosioms programoms ir integraciją su įmonių sistemomis.

Diagnostikos ir stebėjimo galimybės

Integruota diagnostika stebi veikimo parametrus ir komponentų būklę, kad būtų galima atlikti prognozuojamąją techninę priežiūrą ir išvengti netikėtų gedimų.

Vibracijos stebėjimas leidžia aptikti atsirandančias mechanines problemas, pvz., guolių susidėvėjimą, nesutapimą ar montavimo problemas, kol jos dar nesukėlė gedimų.

Temperatūros stebėjimas apsaugo nuo perkaitimo ir teikia duomenis, reikalingus šiluminei analizei ir sistemos optimizavimui.

Naudojimo stebėjimas fiksuoja ciklų skaičių, darbo valandas ir našumo tendencijas, kad būtų galima planuoti techninę priežiūrą ir atlikti eksploatavimo ciklo analizę.

Pramonės 4.0 integracija

Daiktų interneto ryšys suteikia galimybę nuotoliniu būdu stebėti ir valdyti naudojant debesijos platformas, kurios suteikia visuotinę prieigą prie sistemos informacijos.

Duomenų analizės galimybės apdoroja veiklos duomenis, kad būtų galima nustatyti optimizavimo galimybes ir numatyti techninės priežiūros reikalavimus.

Skaitmeninio dvynio integracija sukuria virtualius fizinių cilindrų modelius, skirtus modeliavimui, optimizavimui ir prognozuojamai analizei.

Mašininio mokymosi algoritmai analizuoja operacinius duomenis, kad optimizuotų našumą ir numatytų komponentų gedimus prieš jiems įvykstant.

Saugos sistemos integravimas

Saugos reikalavimus atitinkantys jutikliai ir valdikliai atitinka funkcinės saugos reikalavimus, taikomuosiuose įrenginiuose, kuriuose reikia SIL įvertinta sauga⁵ funkcijos.

Integruotos saugos funkcijos apima saugaus stabdymo, saugios padėties stebėjimo ir saugaus greičio stebėjimo funkcijas, todėl nereikia išorinių saugos įtaisų.

Rezervinės sistemos užtikrina atsarginį veikimą ir stebėjimą svarbiausiose saugos srityse, kuriose gedimas gali sukelti sužalojimus ar žalą.

Saugos ryšių protokolai užtikrina patikimą saugai svarbios informacijos perdavimą tarp sistemos komponentų.

Išvada

Cilindrai veikia elegantiškai taikant Paskalio dėsnį, skysčio slėgį paverčiant tiksliu linijiniu judesiu, koordinuotai veikiant vidiniams komponentams, valdymo sistemoms ir aplinkos apsaugos funkcijoms, kurios užtikrina patikimą automatizavimą daugybėje pramonės sričių.

DUK apie cilindrų veikimą

Pastabos