Kokia yra pneumatinių cilindrų galios paslaptis, kurios inžinieriai nenori, kad žinotumėte?

Netikėtai sustoja gamybos linijos. Inžinieriai stengiasi ištaisyti paslaptingus pneumatikos gedimus. Dauguma žmonių niekada nesupras paprastos fizikos, kuria paremta šiuolaikinė automatika.

Pneumatinių cilindrų veikimo principas pagrįstas Paskalio dėsniu, pagal kurį suslėgto oro slėgis sandarioje kameroje veikia vienodai visomis kryptimis ir sukuria linijinę jėgą, kai slėgio skirtumas perkelia stūmoklį per cilindro angą.

Praėjusiais metais aplankiau Sarą, Teksaso automobilių gamyklos techninės priežiūros vadovę. Jos komanda kas kelias savaites keitė pneumatinius cilindrus, nesuprasdama, kodėl jie sugedo. Praleidau dvi valandas aiškindamas pagrindinius principus, ir per mėnesį jos gedimų skaičius sumažėjo 80%. Pagrindų supratimas viską pakeitė.

Turinys

• Kas yra Paskalio dėsnis ir kaip jis taikomas pneumatiniams cilindrams?
• Kaip oro slėgis sukuria linijinį judėjimą?
• Kokie yra pagrindiniai komponentai, užtikrinantys pneumatinių cilindrų veikimą?
• Kuo skiriasi vienpusio ir dvipusio veikimo cilindrai?
• Koks sandariklių ir vožtuvų vaidmuo eksploatuojant cilindrą?
• Kaip apskaičiuoti jėgą, greitį ir oro sąnaudas?
• Kokie yra pneumatinės galios privalumai ir apribojimai?
• Kaip aplinkos veiksniai veikia pneumatinių cilindrų veikimą?
• Kokios dažniausiai pasitaikančios problemos ir kaip jų išvengti?
• Išvada
• DUK apie pneumatinių cilindrų principus

Kas yra Paskalio dėsnis ir kaip jis taikomas pneumatiniams cilindrams?

Paskalio dėsnis yra visų pneumatinių cilindrų veikimo pagrindas ir paaiškina, kodėl suslėgtas oras gali sukurti didžiulę jėgą.

Paskalio dėsnis teigia, kad slėgis, veikiantis uždarą skystį, vienodai veikia visomis kryptimis, todėl pneumatiniuose cilindruose oro slėgis paverčiamas linijine jėga taikant slėgio skirtumą stūmoklio paviršiuje.

Supratimas apie slėgio perdavimą

Paskalio dėsnis, kurį atrado Blaise Pascal¹ 1653 m. paaiškino, kaip elgiasi riboto slėgio skysčiai. Kai slėgis veikia bet kurį uždaro skysčio tašką, jis vienodai plinta visame skysčio tūryje.

Pneumatiniuose cilindruose suslėgtas oras yra darbinis skystis. Kai oro slėgis patenka į vieną cilindro pusę, jis vienodai stipriai spaudžia stūmoklį visame stūmoklio paviršiaus plote.

Slėgis išlieka pastovus visame oro tūryje, tačiau jėga priklauso nuo paviršiaus ploto, kuriame veikia slėgis. Dėl šios priklausomybės pneumatiniai cilindrai gali sukurti dideles jėgas esant palyginti mažam oro slėgiui.

Matematinis fondas

Pagrindinė jėgos lygtis tiesiogiai išplaukia iš Paskalio dėsnio: F = P × A, kur jėga lygi slėgiui, padaugintam iš ploto. Ši paprasta priklausomybė reglamentuoja visus pneumatinių cilindrų skaičiavimus.

Slėgio matavimo vienetuose paprastai naudojami barai, PSI arba paskaliai, priklausomai nuo vietos. Vienas baras yra lygus maždaug 14,5 PSI arba 100 000 paskalų.

Apskaičiuojant plotą, naudojamas efektyvusis stūmoklio skersmuo, atsižvelgiant į dvigubo veikimo cilindrų strypo plotą. Strypas sumažina veiksmingąjį plotą vienoje stūmoklio pusėje.

Slėgio skirtumo koncepcija

Pneumatiniai cilindrai veikia sukuriant slėgio skirtumus stūmoklyje. Didesnis slėgis vienoje pusėje sukuria grynąją jėgą, kuri stūmoklį stumia mažesnio slėgio pusės link.

Išmetimo pusėje yra atmosferos slėgis (1 baras arba 14,7 PSI), nebent yra priešslėgis. Slėgių skirtumas lemia faktinę išėjimo jėgą.

Didžiausia teorinė jėga atsiranda, kai vienoje pusėje yra visas sistemos slėgis, o kita pusė išleidžiama į atmosferą. Tikrosiose sistemose yra nuostolių, kurie sumažina faktinę jėgą.

Praktinis pritaikymas

Supratimas apie Paskalio dėsnį padeda šalinti pneumatines problemas. Jei sumažėja slėgis, visoje sistemoje proporcingai sumažėja jėgos našumas.

Projektuojant sistemą reikia atsižvelgti į slėgio nuostolius per vožtuvus, jungiamąsias detales ir vamzdžius. Šie nuostoliai sumažina efektyvųjį slėgį balione.

Keli balionai, prijungti prie to paties slėgio šaltinio, vienodai dalijasi turimą slėgį pagal Paskalio dėsnio principus.

Kaip oro slėgis sukuria linijinį judėjimą?

Oro slėgį paverčiant linijiniu judesiu veikia keli fizikiniai principai, kurie kartu sukuria kontroliuojamą judesį.

Oro slėgis sukuria linijinį judėjimą, veikdamas stūmoklio paviršių jėga, įveikdamas statinę trintį ir apkrovos pasipriešinimą, tada pagreitindamas stūmoklio ir strypo mazgą per cilindro angą greičiu, kurį lemia oro srauto greitis.

Jėgos generavimo procesas

Suslėgtas oras patenka į cilindro kamerą ir plečiasi, kad užpildytų turimą tūrį. Oro molekulės spaudžia visus paviršius, įskaitant stūmoklio paviršių.

Slėgio jėga veikia statmenai stūmoklio paviršiui ir sukuria grynąją jėgą judėjimo kryptimi. Ši jėga turi įveikti statinę trintį prieš pradedant judėti.

Pradėjus judėti, kinetinę trintį pakeičia statinė trintis ir paprastai sumažėja pasipriešinimo jėga. Grynoji jėga pagreitina stūmoklį ir pritvirtintą krovinį.

Judesio valdymo mechanizmai

Nuo oro srauto į cilindrą greičio priklauso stūmoklio greitis. Didesnis srauto greitis užtikrina greitesnį judėjimą, o ribotas srautas - lėtesnį ir labiau kontroliuojamą judėjimą.

Srauto reguliavimo vožtuvai reguliuoja oro srautą, kad būtų pasiektas norimas greitis. Įjungimo reguliavimas turi įtakos pagreičiui, o išjungimo reguliavimas - lėtėjimui ir apkrovos valdymui.

Atgalinis slėgis išmetimo pusėje amortizuoja ir užtikrina sklandų lėtėjimą. Reguliuojami amortizacijos vožtuvai optimizuoja judėjimo charakteristikas konkrečioms reikmėms.

Greitėjimas ir lėtėjimas

Antrasis Niutono dėsnis² (F = ma) reguliuoja stūmoklio pagreitį. Grynoji jėga, padalyta iš judančios masės, lemia pagreičio greitį.

Pradinis pagreitis yra didžiausias, kai slėgio skirtumas yra didžiausias, o greitis lygus nuliui. Didėjant greičiui, dėl srauto apribojimų pagreitis gali sumažėti.

Lėtėjimas atsiranda, kai apribojamas išmetamųjų dujų srautas arba padidėja priešslėgis. Kontroliuojamas lėtėjimas apsaugo nuo smūginių apkrovų ir pagerina sistemos tarnavimo laiką.

Energijos perdavimo efektyvumas

Pneumatinės sistemos paprastai pasiekia 25-35% energijos vartojimo efektyvumą nuo kompresoriaus sąnaudų iki naudingojo darbo našumo. Didžioji dalis energijos suspaudimo ir plėtimosi metu virsta šiluma.

Cilindro efektyvumas priklauso nuo trinties nuostolių, nuotėkio ir srauto apribojimų. Gerai suprojektuotose sistemose pasiekiamas 85-95% cilindro efektyvumas.

Optimizuojant sistemą daugiausia dėmesio skiriama slėgio kritimo mažinimui ir tinkamo dydžio cilindrų naudojimui, kad būtų maksimaliai padidintas efektyvumas, atsižvelgiant į praktinius apribojimus.

Kokie yra pagrindiniai komponentai, užtikrinantys pneumatinių cilindrų veikimą?

Kiekvieno komponento funkcijos supratimas padės efektyviai parinkti, prižiūrėti ir šalinti gedimus pneumatinių cilindrų sistemose.

Pagrindiniai pneumatinių cilindrų komponentai yra cilindro korpusas, stūmoklio mazgas, stūmoklio strypas, galiniai dangteliai, sandarikliai, prievadai ir tvirtinimo įranga, kurių kiekvienas sukurtas taip, kad veiktų kartu ir užtikrintų patikimą tiesinį judesį.

Cilindro korpuso konstrukcija

Cilindro korpuse yra darbinis slėgis ir jis nukreipia stūmoklio judesį. Daugumos cilindrų korpusui naudojami besiūliai plieniniai vamzdžiai arba aliuminio ekstruzijos.

Vidinio paviršiaus apdaila turi lemiamos įtakos sandariklio tarnavimo laikui ir eksploatacinėms savybėms. Šlifuotos kiaurymės³ su 0,4-0,8 Ra paviršiaus apdaila užtikrina optimalų sandarinimo veikimą ir ilgą tarnavimo laiką.

Sienelės storis turi atlaikyti darbinį slėgį su atitinkamais saugos koeficientais. Standartinės konstrukcijos atitinka 10-16 barų darbinį slėgį su 4:1 saugos koeficientais.

Kėbulo medžiagos - anglinis plienas, nerūdijantis plienas ir aliuminio lydiniai. Medžiagos pasirinkimas priklauso nuo darbo aplinkos, slėgio reikalavimų ir sąnaudų.

Stūmoklio surinkimo konstrukcija

Stūmoklis atskiria cilindro kameras ir perduoda jėgą stūmoklio trauklei. Stūmoklio konstrukcija turi įtakos našumui, efektyvumui ir tarnavimo laikui.

Stūmoklio medžiagoms paprastai naudojama aliuminio arba plieno konstrukcija. Aliuminio stūmokliai sumažina judančią masę, kad greičiau įsibėgėtų, o plieniniai stūmokliai atlaiko didesnes jėgas.

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

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

Stūmoklio strypo specifikacijos

Stūmoklio strypas perduoda cilindro jėgą išorinei apkrovai. Strypo konstrukcija turi atlaikyti veikiančias jėgas be išlinkimo ar deformacijos.

Strypų medžiagos yra chromuotas plienas, nerūdijantis plienas ir specialūs lydiniai. Chromavimas užtikrina atsparumą korozijai ir lygią paviršiaus apdailą.

Strypų skersmuo turi įtakos stiprumui ir sistemos standumui. Didesni strypai atlaiko didesnes šonines apkrovas, tačiau padidėja cilindro dydis ir kaina.

Strypų paviršiaus apdaila turi įtakos sandariklio veikimui ir tarnavimo trukmei. Lygus, kietas paviršius sumažina sandariklio dėvėjimąsi ir pailgina techninės priežiūros intervalus.

Galiniai dangteliai ir tvirtinimo sistemos

Galiniai dangteliai užsandarina cilindro galus ir yra cilindro korpuso tvirtinimo taškai. Jie turi atlaikyti visą sistemos slėgį ir montavimo apkrovas.

Kaklaraiščio strypo konstrukcija⁴ galiniams dangteliams pritvirtinti prie cilindro korpuso naudojami srieginiai strypai. Tokia konstrukcija leidžia atlikti techninę priežiūrą ir pakeisti sandariklį.

Suvirintos konstrukcijos galiniai dangteliai tvirtai pritvirtinti prie cilindro korpuso. Taip sukuriama kompaktiškesnė konstrukcija, tačiau užkertamas kelias aptarnavimui lauke.

Galimi tvirtinimo stiliai: tvirtinimo ant šarnyro, strypo, flanšo ir kojelės variantai. Tinkamai parinkus montavimo būdą, išvengiama įtempių koncentracijos ir ankstyvo gedimo.

Sandarinimo technologija

Pirminiai stūmoklio sandarikliai palaiko slėgio atskyrimą tarp cilindro kamerų. Sandariklio pasirinkimas priklauso nuo slėgio, temperatūros ir cheminio suderinamumo reikalavimų.

Strypų sandarikliai apsaugo nuo išorinio nuotėkio ir teršalų patekimo. Jie turi būti atsparūs dinaminiam judėjimui ir tuo pat metu efektyviai sandarinti.

Valytuvų sandarikliai pašalina teršalus nuo strypo paviršiaus įtraukimo metu. Tai apsaugo vidinius sandariklius ir prailgina tarnavimo laiką.

Statiniai sandarikliai apsaugo nuo nuotėkio srieginėse jungtyse ir galinių dangtelių sąsajose. Jie išlaiko slėgį be santykinio judesio tarp paviršių.

Kuo skiriasi vienpusio ir dvipusio veikimo cilindrai?

Pasirinkimas tarp vienpusio ir dvipusio veikimo cilindrų turi didelę įtaką našumui, valdymui ir pritaikymui.

Vieno veikimo cilindruose oro slėgis naudojamas judėjimui viena kryptimi su spyruokle arba sunkio jėgos grąžinimu, o dvigubo veikimo cilindruose oro slėgis naudojamas judėjimui abiem kryptimis, todėl užtikrinamas geresnis valdymas ir didesnės jėgos.

Vieno veikimo cilindro veikimas

Viengubo veikimo cilindruose oro slėgis veikia tik vieną stūmoklio pusę. Grįžtamasis ėjimas priklauso nuo vidinės spyruoklės, išorinės spyruoklės arba sunkio jėgos, kuri stūmoklį įtraukia atgal.

Spyruokliniai grįžtamieji cilindrai naudoja vidines suspaudimo spyruokles stūmokliui įtraukti, kai išsiskleidžia oro slėgis. Spyruoklės jėga turi įveikti trintį ir bet kokias išorines apkrovas.

Gravitacinių cilindrų grįžtamoji jėga priklauso nuo svorio arba išorinių jėgų, kad stūmoklis būtų įtraukiamas. Tokia konstrukcija tinka vertikaliam naudojimui, kai gravitacija padeda grįžtamajam judesiui.

Oro sąnaudos mažesnės, nes suslėgtas oras naudojamas tik vienai judėjimo krypčiai. Taip sumažėja kompresoriaus poreikis ir eksploatavimo išlaidos.

Dvigubo veikimo cilindro veikimas

Dvigubo veikimo cilindruose oro slėgis pakaitomis veikia abi stūmoklio puses. Taip užtikrinamas judėjimas tiek ištraukimo, tiek įtraukimo kryptimi.

Dėl strypo ploto, mažinančio veiksmingąjį stūmoklio plotą vienoje pusėje, gali skirtis ištraukimo ir įtraukimo eigos jėga. Ištraukimo jėga paprastai yra didesnė.

Greičio reguliavimas nepriklausomas abiem kryptimis naudojant atskirus srauto reguliavimo vožtuvus. Tai leidžia optimizuoti ciklo trukmę esant skirtingoms apkrovos sąlygoms.

Puikiai išlaikoma padėtis, nes oro slėgis išlaiko padėtį abiem kryptimis veikiant išorinėms jėgoms.

Veiklos palyginimas

Viengubo veikimo cilindrų išėjimo jėgą riboja spyruoklės jėga ištiesimo metu. Spyruoklės jėga sumažina grynąją išėjimo jėgą darbui atlikti.

Dvigubo veikimo cilindrai užtikrina visą pneumatinę jėgą abiem kryptimis, atmetus trinties nuostolius. Taip maksimaliai padidinama išorinėms apkrovoms naudojama jėga.

Vieno veikimo konstrukcijose greičio valdymas yra labiau ribotas, nes grįžimo greitis priklauso nuo spyruoklės charakteristikų arba gravitacijos, o ne nuo kontroliuojamo oro srauto.

Dėl mažesnių oro sąnaudų ir paprastesnių valdymo sistemų energijos vartojimo efektyvumas gali būti palankesnis vienpusio veikimo konstrukcijoms, skirtoms paprastoms reikmėms.

Paraiškų atrankos kriterijai

Vienkartinio veikimo cilindrai tinka paprastiems darbams, kai reikia judėti viena kryptimi su nedidele grįžtamąja apkrova. Pavyzdžiui, gnybimo, presavimo ir kėlimo operacijos.

Dvigubo veikimo cilindrai geriau tinka tais atvejais, kai reikia kontroliuojamo judesio abiem kryptimis arba didelės jėgos ištraukimo metu. Dvigubo veikimo konstrukcijos naudingos medžiagų tvarkymo ir pozicionavimo darbams.

Saugos sumetimais gali būti palankesnės viengubo veikimo konstrukcijos, kurios, praradus oro slėgį, nepajuda į saugią padėtį. Spyruoklinis grįžimas užtikrina nuspėjamą gedimo režimo elgseną.

Siekiant nustatyti ekonomiškiausią pasirinkimą, sąnaudų analizė turėtų apimti baliono kainą, vožtuvo sudėtingumą ir oro sąnaudas per visą sistemos eksploatavimo laikotarpį.

Koks sandariklių ir vožtuvų vaidmuo eksploatuojant cilindrą?

Sandarikliai ir vožtuvai yra svarbiausi komponentai, užtikrinantys tinkamą pneumatinių cilindrų veikimą, efektyvumą ir patikimumą.

Sandarikliai palaiko slėgio atskyrimą ir apsaugo nuo užteršimo, o vožtuvai valdo oro srauto kryptį, greitį ir slėgį, kad būtų pasiektas norimas cilindro judėjimas ir padėtis.

Sandariklių funkcijos ir tipai

Pirminiai stūmoklio sandarikliai sukuria slėgio barjerus tarp cilindro kamerų. Jie turi efektyviai sandarinti ir kartu užtikrinti sklandų stūmoklio judėjimą su minimalia trintimi.

Stūmoklio strypo sandarikliai neleidžia suslėgtam orui ištrūkti aplink stūmoklio strypą. Jos taip pat neleidžia į cilindrą patekti išoriniams teršalams.

Valytuvų sandarikliai pašalina purvą, drėgmę ir šiukšles nuo strypo paviršiaus ištraukimo metu. Taip apsaugomi vidiniai sandarikliai ir palaikoma sistemos švara.

Statiniai sandarikliai apsaugo nuo nuotėkio srieginėse jungtyse, galiniuose dangteliuose ir prievadų jungtyse. Jie išlaiko slėgį be santykinio judesio tarp sandarinamųjų paviršių.

Sandariklio medžiagos parinkimas

Nitrilo kaučiuko (NBR) sandarikliai tinka bendram pramoniniam naudojimui, pasižymi geru atsparumu cheminėms medžiagoms ir vidutiniu temperatūros diapazonu (nuo -20 °C iki +80 °C).

Poliuretano (PU) sandarikliai pasižymi puikiu atsparumu dilimui ir maža trintimi, tinkami didelio ciklo darbams. Jos gerai veikia nuo -35 °C iki +80 °C temperatūroje.

PTFE sandarikliai pasižymi ypatingu atsparumu cheminėms medžiagoms ir maža trintimi, tačiau juos reikia kruopščiai montuoti. Jos atlaiko nuo -200 °C iki +200 °C temperatūrą.

Vitono sandarikliai pasižymi išskirtiniu atsparumu cheminėms medžiagoms ir temperatūrai atšiaurioje aplinkoje. Jos patikimai veikia nuo -20 °C iki +200 °C temperatūroje.

Vožtuvo valdymo funkcijos

Oro srauto krypties valdymo vožtuvai nustato oro srauto kryptį cilindrui ištraukti arba įtraukti. Įprasti tipai yra 3/2 krypčių ir 5/2 krypčių konfigūracijos.

Srauto reguliavimo vožtuvai reguliuoja oro srautą, kad būtų galima valdyti cilindro sūkių dažnį. Įjungimo valdymas veikia pagreitį, o išjungimo valdymas - lėtėjimą.

Slėgio reguliavimo vožtuvai palaiko pastovų darbinį slėgį ir užtikrina apsaugą nuo perkrovos. Jie užtikrina stabilų jėgos išėjimą ir apsaugo sistemą nuo pažeidimų.

Greitojo išmetimo vožtuvai pagreitina cilindro judėjimą, nes leidžia greitai išleisti orą tiesiai į atmosferą, apeinant pagrindinio vožtuvo srauto apribojimus.

Vožtuvų atrankos kriterijai

Srauto našumas turi atitikti cilindro reikalavimus, kad būtų galima pasiekti norimą darbinį greitį. Dėl per mažo dydžio vožtuvų atsiranda srauto apribojimų, kurie riboja našumą.

Reakcijos laikas turi įtakos sistemos našumui didelės spartos taikomosiose programose. Greito veikimo vožtuvai leidžia greitai keisti kryptį ir tiksliai nustatyti padėtį.

Slėgis turi viršyti didžiausią sistemos slėgį su atitinkamomis saugos atsargomis. Dėl vožtuvo gedimo gali pavojingai išsiskirti slėgis.

Aplinkos suderinamumas apima temperatūros diapazoną, atsparumą vibracijai ir apsaugą nuo taršos patekimo.

Sistemos integracija

Vožtuvų montavimo galimybės apima kolektorių montavimą kompaktiškiems įrenginiams arba individualų montavimą paskirstytoms valdymo sistemoms.

Elektros jungtys turi atitikti valdymo sistemos reikalavimus. Galima pasirinkti solenoidinį veikimą, pilotinį veikimą arba rankinio valdymo funkciją.

Padėties jutiklių grįžtamojo ryšio signalai įgalina uždarojo ciklo valdymo sistemas. Norint, kad vožtuvo reakcija būtų stabili, ji turi būti suderinta su jutiklių signalais.

Techninės priežiūros prieiga turi įtakos sistemos tinkamumui eksploatuoti. Vožtuvų išdėstymas turėtų leisti lengvai atlikti patikrą, reguliavimą ir, prireikus, pakeitimą.

Kaip apskaičiuoti jėgą, greitį ir oro sąnaudas?

Tikslūs skaičiavimai užtikrina tinkamą pneumatinių cilindrų dydžio parinkimą ir numato sistemos veikimą pagal konkrečius taikymo reikalavimus.

Apskaičiuokite pneumatinio cilindro jėgą pagal F = P × A, nustatykite greitį pagal V = Q/A ir įvertinkite oro sąnaudas pagal tūrio ir slėgio santykius, kad optimizuotumėte sistemos konstrukciją ir našumą.

Jėgos skaičiavimo metodai

Teorinė jėga lygi oro slėgiui, padaugintam iš veiksmingo stūmoklio ploto: F = P × A. Tai yra didžiausia galima jėga idealiomis sąlygomis.

Dvigubo veikimo cilindrų veiksmingasis stūmoklio plotas skiriasi tarp ištraukimo ir įtraukimo eigų dėl strypo ploto: A_atitraukimo = A_stūmoklio - A_strypo.

Praktinė jėga apskaičiuojama atsižvelgiant į trinties nuostolius, kurie paprastai sudaro 10-15% teorinės jėgos. Sandariklio trintis, kreipiančiosios trintis ir oro srauto nuostoliai sumažina turimą jėgą.

Į apkrovos analizę turi būti įtrauktas statinis svoris, proceso jėgos, pagreičio jėgos ir saugos koeficientai. Pagal bendrą reikiamą jėgą nustatomas mažiausias cilindro dydis.

Greičio skaičiavimo principai

Cilindro greitis tiesiogiai susijęs su oro srautu: V = Q/A, kur greitis lygus tūriniam srautui, padalytam iš veiksmingo stūmoklio ploto.

Srauto greitis priklauso nuo vožtuvo talpos, slėgio skirtumo ir vamzdžių dydžio. Srauto apribojimai bet kurioje sistemos vietoje riboja didžiausią greitį.

Greitėjimo fazės greitis didėja palaipsniui, nes oro srautas didėja. Nuolatinės būsenos greitis atsiranda, kai srautas stabilizuojasi ties didžiausiu pajėgumu.

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

Oro suvartojimo analizė

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

Dvigubo veikimo cilindrai naudoja orą tiek ištraukimo, tiek įtraukimo judesiams. Viengubo veikimo cilindrai naudoja orą tik ištraukimo eigai.

Sistemos nuostoliai dėl vožtuvų, jungiamųjų detalių ir nuotėkio paprastai padidina teorinį suvartojimą 20-30%. Tinkamas sistemos projektavimas šiuos nuostolius sumažina iki minimumo.

Kompresoriaus dydis turi atitikti didžiausią paklausą ir sistemos nuostolius, užtikrinant pakankamą rezervinę galią. Dėl per mažų kompresorių dydžių sumažėja slėgis ir jie prastai veikia.

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 juda lėčiau.

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

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

Sistemos efektyvumas didėja tinkamai parinkus komponentų dydį, sumažinus slėgio kritimą ir efektyviai apdorojant orą. Gerai suprojektuotos sistemos pasiekia 85-95% efektyvumą.

Praktiniai skaičiavimo pavyzdžiai

1 pavyzdys: 63 mm skersmens cilindras, 6 barų slėgis

• Išplėskite jėgą: F = 6 × π × (63/2)² = 1870N
• Oro sąnaudos: V = π × (63/2)² × eiga × 6 = eiga × 18,7 litro/metras

2 pavyzdys: Reikiamas cilindro dydis 2000 N jėgai, esant 6 barų slėgiui

• Reikiamas plotas: A = F/P = 2000/6 = 333 cm²
• Reikalingas skersmuo: D = √(4A/π) = √(4×333/π) = 65 mm

Šie skaičiavimai yra pradinis baliono parinkimo taškas, o nustatant galutinį dydį atsižvelgiama į saugos veiksnius ir konkrečios paskirties reikalavimus.

Kokie yra pneumatinės galios privalumai ir apribojimai?

Pneumatinės sistemos privalumų ir apribojimų supratimas padeda nustatyti, kada pneumatiniai cilindrai yra geriausias pasirinkimas jūsų taikymui.

Pneumatinė galia pasižymi švariu veikimu, paprastu valdymu, dideliu greičiu ir saugos privalumais, tačiau, palyginti su hidraulinėmis ir elektrinėmis alternatyvomis, turi jėgos išėjimo, energijos vartojimo efektyvumo ir tikslaus padėties nustatymo apribojimų.

Pagrindiniai pneumatinių sistemų privalumai

Dėl švaraus veikimo pneumatinės sistemos idealiai tinka maisto perdirbimo, farmacijos ir švarių patalpų srityse. Suslėgto oro nuotėkis nekenkia gaminiams ir aplinkai.

Paprastose valdymo sistemose naudojami pagrindiniai vožtuvai ir jungikliai. Tai sumažina sudėtingumą, mokymo reikalavimus ir priežiūrą, palyginti su sudėtingesnėmis alternatyvomis.

Dėl mažos judančios masės ir suspaudžiamo oro savybių galima greitai atlikti ciklą. Pneumatiniai cilindrai gali pasiekti iki 10 m/s greitį.

Saugos privalumai - nedegi darbo terpė ir nuspėjami gedimų režimai. Oro nuotėkis nekelia gaisro pavojaus ir neužteršia aplinkos.

Ekonomiškumas paprastoms reikmėms - tai maža pradinė kaina, paprastas įrengimas ir lengvai prieinamas suslėgtas oras daugumoje pramoninių objektų.

Sistemos apribojimai

Jėgos našumą riboja praktinis oro slėgis, kuris pramoninėse sistemose paprastai yra 6-10 barų. Dėl to pneumatiniai cilindrai gali būti naudojami tik vidutinės jėgos reikmėms.

Energijos vartojimo efektyvumas yra mažas, paprastai nuo kompresoriaus įėjimo iki naudingojo darbo našumo praeina 25-35%. Didžioji dalis energijos suspaudimo ir plėtimosi ciklų metu virsta šiluma.

Dėl oro suspaudžiamumo ir temperatūros poveikio sunku tiksliai nustatyti padėtį. Pneumatinės sistemos sunkiai įveikia situacijas, kai reikia didesnio nei ±1 mm pozicionavimo tikslumo.

Jautrumas temperatūrai turi įtakos našumui, nes oro tankis ir slėgis kinta priklausomai nuo temperatūros. Sistemos našumas priklauso nuo aplinkos sąlygų.

Triukšmo lygis gali būti didelis dėl oro išmetimo ir kompresoriaus veikimo. Triukšmui jautrioje aplinkoje gali prireikti garso slopintuvo.

Palyginimas su alternatyviomis technologijomis

Hidraulinės sistemos užtikrina didesnes jėgas ir geresnį padėties nustatymo tikslumą, tačiau joms reikia sudėtingo skysčių tvarkymo ir dėl alyvos nuotėkio kyla aplinkosaugos problemų.

Elektrinės pavaros pasižymi tiksliu padėties nustatymu ir dideliu efektyvumu, tačiau jų pradinės sąnaudos yra didesnės, o sparta didelės jėgos srityse yra ribota.

Pneumatinės sistemos puikiai tinka tais atvejais, kai reikia nedidelės jėgos, didelio greičio, švaraus veikimo, paprasto valdymo ir priimtinų pradinių sąnaudų.

Taikymo tinkamumo matrica

Idealiai tinka pakavimo, surinkimo, medžiagų tvarkymo ir paprastos automatikos srityse, kur greitis ir švara yra svarbesni už tikslumą ar dideles jėgas.

Blogai pritaikomos sunkiasvorių krovinių kėlimo, tikslaus pozicionavimo, nepertraukiamo darbo ir tokiose srityse, kur energijos vartojimo efektyvumas yra labai svarbus eksploatavimo sąnaudoms.

Hibridinėse sistemose pneumatinis greitis kartais derinamas su elektriniu tikslumu arba hidrauline jėga, kad būtų optimizuotas bendras sistemos našumas.

Ekonominiai aspektai

Eksploatacines išlaidas sudaro suslėgto oro gamybos, techninės priežiūros ir energijos sąnaudos. Oro sąnaudos paprastai svyruoja nuo $0,02 iki 0,05 už kubinį metrą.

Techninės priežiūros išlaidos paprastai yra nedidelės, nes konstrukcija paprasta, o atsarginių dalių galima lengvai įsigyti. Pagrindinis techninės priežiūros reikalavimas - sandariklių keitimas.

Sistemos gyvavimo ciklo sąnaudos turėtų apimti pradines investicijas, eksploatavimo išlaidas ir našumo naudą per numatomą eksploatavimo laikotarpį.

Investicijų grąžos analizė padeda pagrįsti pneumatinės sistemos pasirinkimą, atsižvelgiant į didesnį našumą, mažesnį darbo jėgos kiekį ir geresnę gaminių kokybę.

Kaip aplinkos veiksniai veikia pneumatinių cilindrų veikimą?

Aplinkos sąlygos daro didelę įtaką pneumatinių cilindrų veikimui, patikimumui ir tarnavimo laikui realiose srityse.

Aplinkos veiksniai, įskaitant temperatūrą, drėgmę, užterštumą, vibraciją ir koroziją sukeliančias medžiagas, turi įtakos pneumatinių cilindrų veikimui dėl sandariklių degradacijos, korozijos, trinties pokyčių ir komponentų nusidėvėjimo.

Temperatūros poveikis

Darbinė temperatūra turi įtakos oro tankiui, slėgiui ir komponentų medžiagoms. Aukštesnė temperatūra mažina oro tankį ir efektyvią jėgą.

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

Cilindro komponentų šiluminis plėtimasis gali turėti įtakos laisvumui ir sandariklio veikimui. Konstrukcija turi būti pritaikyta prie šiluminio augimo, kad būtų išvengta sukibimo ar nuotėkio.

Kondensacija atsiranda, kai suslėgtas oras atvėsta žemiau rasos taško. Vanduo sistemoje sukelia koroziją, užšalimą ir nestabilų veikimą.

Drėgmės ir drėgmės kontrolė

Didelė drėgmė padidina kondensacijos riziką suslėgto oro sistemose. Vandens sankaupos sukelia komponentų koroziją ir nestabilų veikimą.

Oro valymo sistemos, įskaitant filtrus, džiovintuvus ir separatorius, pašalina drėgmę ir teršalus. Tinkamas oro apdorojimas yra būtinas patikimam darbui.

Drenažo sistemos turi pašalinti susikaupusį kondensatą iš žemų oro paskirstymo sistemos taškų. Automatiniai drenažai neleidžia kauptis vandeniui.

Rasos taškas⁵ kontrolė palaiko mažesnį oro drėgmės kiekį, kuris esant darbinei temperatūrai sukelia kondensaciją. Tiksliniai rasos taškai paprastai būna 10 °C žemesni už minimalią darbinę temperatūrą.

Taršos poveikis

Dulkės ir šiukšlės sukelia sandariklių nusidėvėjimą, vožtuvų veikimo sutrikimus ir vidinių komponentų pažeidimus. Filtravimo sistemos apsaugo pneumatinius komponentus nuo užteršimo.

Cheminė tarša gali pažeisti sandariklius, sukelti koroziją ir susidaryti nuosėdų, kurios trukdo eksploatuoti. Cheminėje aplinkoje labai svarbus medžiagų suderinamumas.

Užterštumas kietosiomis dalelėmis spartina nusidėvėjimą ir gali sukelti vožtuvo užstrigimą arba sandariklio gedimą. Filtrų techninė priežiūra yra būtina sistemos patikimumui užtikrinti.

Kompresorių užterštumas alyva gali sukelti sandariklių išbrinkimą ir degradaciją. Kompresoriai be alyvos arba tinkamos alyvos šalinimo sistemos užkerta kelią taršai.

Vibracija ir smūgiai

Mechaninė vibracija gali sukelti tvirtinimo detalių atsipalaidavimą, sandariklių pasislinkimą ir komponentų nuovargį. Tinkamas montavimas ir vibracijos izoliavimas apsaugo sistemos komponentus.

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

Rezonanso dažniai gali sustiprinti vibracijos poveikį. Projektuojant sistemą reikėtų vengti montuojamų komponentų rezonansinių dažnių.

Pamatų stabilumas turi įtakos sistemos veikimui ir tarnavimo laikui. Tvirtas tvirtinimas apsaugo nuo pernelyg didelės vibracijos ir užtikrina tinkamą išlyginimą.

Apsauga nuo korozinės aplinkos

Korozinė atmosfera pažeidžia metalinius komponentus ir sukelia priešlaikinį gedimą. Medžiagų parinkimas ir apsauginės dangos prailgina tarnavimo laiką atšiaurioje aplinkoje.

Nerūdijančio plieno konstrukcija užtikrina atsparumą korozijai, tačiau padidina sistemos kainą. Kada nerūdijantis plienas yra pateisinamas, nustatoma atlikus sąnaudų ir naudos analizę.

Apsauginės dangos, įskaitant anodavimą, dengimą ir dažymą, užtikrina standartinių medžiagų apsaugą nuo korozijos. Dangos pasirinkimas priklauso nuo konkrečių aplinkos sąlygų.

Sandarios konstrukcijos neleidžia koroziją sukeliančioms medžiagoms patekti į vidinius komponentus. Aplinkos sandarinimas labai svarbus atšiauriose sąlygose.

Kokios dažniausiai pasitaikančios problemos ir kaip jų išvengti?

Supratimas apie dažniausiai pasitaikančias pneumatinių cilindrų problemas ir jų prevenciją padeda užtikrinti patikimą veikimą ir sumažinti prastovas.

Dažniausiai pasitaikančios pneumatinių cilindrų problemos yra sandarinimo nuotėkis, netolygus judėjimas, sumažėjusi išėjimo jėga ir ankstyvas nusidėvėjimas, kurių galima išvengti tinkamai apdorojant orą, atliekant reguliarią techninę priežiūrą, tinkamai parenkant dydį ir saugant aplinką.

Sandarinimo nuotėkio problemos

Dėl vidinio nuotėkio tarp cilindrų kamerų sumažėja išvystoma jėga ir atsiranda netolygus judėjimas. Tipinė priežastis - susidėvėję arba pažeisti stūmoklio sandarikliai.

Išorinis nuotėkis aplink strypą kelia pavojų saugai ir kelia oro nuostolius. Dėl strypo sandariklio gedimo arba paviršiaus pažeidimo gali ištekėti suslėgtas oras.

Tarp sandariklių gedimo priežasčių yra užterštumas, netinkamas montavimas, cheminis nesuderinamumas ir įprastas nusidėvėjimas. Prevencija orientuota į pagrindinių priežasčių šalinimą.

Keitimo procedūroms reikia tinkamai parinkti sandariklį, paruošti paviršių ir taikyti montavimo būdus. Netinkamas montavimas iš karto sukelia gedimą.

Klaidingo judėjimo problemos

Slydimo judesys atsiranda dėl trinties svyravimų, užterštumo arba netinkamo tepimo. Sklandžiam darbui reikia pastovaus trinties lygio.

Greičio svyravimai rodo srauto apribojimus, slėgio svyravimus arba vidinį nuotėkį. Sistemos diagnostika nustato konkrečią priežastį.

Padėties nuokrypis atsiranda, kai cilindrai negali išlaikyti padėties, veikiami išorinių apkrovų. Vidinis nuotėkis arba vožtuvo problemos sukelia padėties svyravimą.

Dėl valdymo sistemos nestabilumo arba per didelių stiprinimo nustatymų atsiranda medžioklė arba svyravimai. Tinkamas derinimas pašalina nestabilų veikimą.

Jėgos išėjimo sumažinimas

Slėgio kritimas per vožtuvus, jungiamąsias detales ir vamzdžius sumažina baliono veikiančią jėgą. Tinkamai parinkus dydį išvengiama per didelių slėgio nuostolių.

Vidinis nuotėkis sumažina efektyvų slėgio skirtumą stūmoklyje. Pakeitus sandariklį atkuriama tinkama išėjimo jėga.

Trintis padidėja dėl užterštumo, nusidėvėjimo arba netinkamo tepimo. Reguliari techninė priežiūra užtikrina mažą trintį.

Temperatūros poveikis mažina oro tankį ir turimą jėgą. Projektuojant sistemą reikia atsižvelgti į temperatūros svyravimus.

Priešlaikinis komponentų susidėvėjimas

Dėl užterštumo sparčiau dėvisi sandarikliai, kreipiančiosios ir vidiniai paviršiai. Tinkamas filtravimas ir oro apdorojimas apsaugo nuo užterštumo žalos.

Perkrova viršija projektines ribas ir sukelia greitą nusidėvėjimą arba gedimą. Tinkamai parinkus dydžius ir pritaikius atitinkamus saugos koeficientus išvengiama perkrovos žalos.

Dėl netolygaus išderinimo atsiranda netolygi apkrova ir pagreitėja dėvėjimasis. Tinkamas montavimas ir tvirtinimas padeda išvengti išlyginimo problemų.

Netinkamas tepimas didina trintį ir dėvėjimąsi. Tinkamos tepimo sistemos palaiko komponentų ilgaamžiškumą.

Prevencinės techninės priežiūros strategijos

Reguliariai atliekant patikrą problemos nustatomos prieš atsirandant gedimui. Vizualios patikros, našumo stebėjimas ir nuotėkio aptikimas leidžia atlikti aktyvią techninę priežiūrą.

Oro valymo techninė priežiūra apima filtrų keitimą, džiovintuvo priežiūrą ir drenažo sistemos veikimą. Švarus ir sausas oras yra būtinas patikimam darbui.

Tepimo tvarkaraščiuose palaikomas tinkamas tepimo lygis, o ne perteklinis tepimas, galintis sukelti problemų. Laikykitės gamintojo rekomendacijų.

Veikimo stebėsena stebi jėgos našumą, greitį ir oro sąnaudas, kad būtų galima nustatyti blogėjantį veikimą prieš gedimą.

Trikčių šalinimo metodika

Sisteminga diagnozė prasideda nuo simptomų nustatymo ir tęsiama atliekant logiškas tyrimo procedūras. Dokumentuokite išvadas, kad galėtumėte stebėti problemų modelius.

Atliekant našumo bandymus matuojama faktinė jėga, greitis ir oro sąnaudos, palyginti su specifikacijomis. Taip nustatomas konkretus našumo pablogėjimas.

Atliekant komponentų bandymus problemos izoliuojamos nuo konkrečių sistemos elementų. Pakeiskite arba suremontuokite tik sugedusius komponentus, o ne ištisus mazgus.

Pagrindinių priežasčių analizė užkerta kelią problemos pasikartojimui, nes šalinamos pagrindinės priežastys, o ne tik simptomai. Taip sumažinamos ilgalaikės techninės priežiūros išlaidos.

Išvada

Pneumatinių cilindrų principai remiasi Paskalio dėsniu ir slėgio skirtumu, kad suslėgtą orą paverstų patikimu linijiniu judesiu, todėl tinkamai suprasti ir pritaikyti jie yra labai svarbūs šiuolaikinėje automatikoje.

DUK apie pneumatinių cilindrų principus