Пневматический цилиндр с двойным штоком: руководство по типам, размерам и применению

Что такое воздушный цилиндр с двойным штоком и почему это важно

Двойной стержень воздушный цилиндр представляет собой пневматический привод, в котором поршневые штоки выходят из обоих концов корпуса цилиндра, а не только из одного. Это, казалось бы, простое конструктивное различие имеет серьезные последствия для работы пневмоцилиндра в реальных промышленных условиях. Основным преимуществом является симметричная выходная сила: цилиндр обеспечивает равную толкающую и тянущую силу при любом заданном давлении воздуха, поскольку оба хода действуют на одну и ту же площадь поперечного сечения. В стандартном одноштоковом пневматическом цилиндре сила втягивания всегда ниже силы выдвижения, поскольку шток занимает часть поверхности поршня со стороны штока, уменьшая эффективную площадь давления. Эта асимметрия полностью исчезает в конструкции с двойным стержнем.

Помимо баланса сил, конструкция с двумя штоками предотвращает вращение штока поршня во время выдвижения и втягивания. Во многих процессах автоматизации — маркировке, сварке, дозировании, прессовании — даже несколько градусов отклонения при вращении ухудшают качество продукции или вызывают смещение. Пневматический цилиндр с двойным штоком устраняет этот риск механически, не полагаясь на расположенные ниже по потоку противовращательные направляющие или сложное монтажное оборудование.

В этой статье описывается все, что нужно знать инженеру-механику или инженеру по автоматизации, прежде чем выбирать двухштоковый цилиндр: как он работает внутри, чем он отличается от других типов пневмоцилиндров, какие серии доминируют на рынке, как правильно подобрать размер и как избежать наиболее распространенных ошибок при установке.

Внутренняя конструкция: как работает двухштоковый воздушный цилиндр

Внутренняя компоновка двухштокового пневмоцилиндра соответствует тем же фундаментальным принципам, что и любой пневматический цилиндр двойного действия, с одним важным дополнением. Поршень расположен в центре отверстия. Вместо одного стержня, выступающего наружу из головной крышки, два стержня одинакового диаметра прикреплены к противоположным сторонам поршня и проходят через уплотненные сальники как в головной, так и в головной крышках.

Два воздушных канала — по одному на каждом конце цилиндра — позволяют сжатому воздуху поочередно входить и выходить. Когда воздух поступает в порт головной части, он толкает поршень к концу крышки, выдвигая один стержень и втягивая другой. Когда воздух попадает в порт на конце крышки, движение меняется на противоположное. Поскольку обе стороны поршня имеют одинаковую эффективную площадь (оба штока имеют одинаковый диаметр), сила и скорость совершенно симметричны в обоих направлениях.

Ключевые внутренние компоненты

• Цилиндр цилиндра: обычно экструдированный алюминиевый сплав, жестко анодированный для защиты от коррозии и уменьшения трения.
• Поршень: имеет первичное уплотнение (обычно из NBR или полиуретана) и магнитное кольцо для срабатывания датчика.
• Два поршневых штока: валы из закаленной стали, хромированные до твердости HRC 55–60 для долговечности уплотнения штока.
• Уплотнения и скребки штока: предотвращают утечку воздуха и предотвращают загрязнение с обоих концов.
• Торцевые крышки: литые под давлением алюминиевые или стальные, с резьбой портов и клапанами регулировки амортизации.
• Воздушные подушки: регулируемые игольчатые клапаны, которые замедляют поршень вблизи каждого конца хода для поглощения кинетической энергии.

В вариантах с направляющими (таких как серии TN или CXSM) два стержня проходят через бронзовые или шарикоподшипниковые втулки в передней пластине, что повышает поперечную жесткость и дополнительно уменьшает прогиб при внеосевых нагрузках. Этот подтип иногда называют двухстержневым направляющим цилиндром, двухстержневым направляющим цилиндром или компактным направляющим цилиндром, хотя принцип работы идентичен.

Двойной шток против одноштокового воздушного цилиндра: прямое сравнение

Выбор между одноштоковым и двухштоковым пневмоцилиндром зависит от конкретных требований применения. Ни один из типов не является универсальным. В таблице ниже приведены наиболее важные практические различия.

Для применений, требующих только линейного толчка или тяги в одном основном направлении (базовый зажим, приведение в действие двери, простая работа с прессом), пневматический цилиндр с одним штоком остается наиболее экономичным выбором. В тот момент, когда приложение требует предотвращения вращения, равной двунаправленной силы или одновременной обработки обоих концов стержня, конфигурация двойного стержня становится подходящей спецификацией.

Распространенные серии и характеристики на рынке

Рынок двухштоковых пневмоцилиндров определяют несколько известных серий. Понимание различий между ними помогает инженерам подобрать правильный продукт для приложения, не вдаваясь в чрезмерные спецификации.

Серия TN — компактный двухстержневой цилиндр с направляющими

Серия TN является наиболее широко используемым компактным двухштоковым цилиндром в автоматизации. Размеры отверстия обычно варьируются от 10 до 32 мм, с ходом от 5 до 125 мм, хотя существуют расширенные варианты до 200 мм. Два стержня проходят через переднюю концевую пластину с прецизионными втулками, которые обеспечивают устойчивость к вращению и боковой нагрузке. Рабочее давление обычно составляет от 0,1 до 0,8 МПа, что делает его пригодным для стандартных промышленных систем сжатого воздуха при давлении 5–7 бар. Занимаемая площадь TN достаточно мала, чтобы ее можно было интегрировать непосредственно в захватывающие головки, сборочные приспособления и аппликаторы этикеток.

Серия СКССМ/КССВ — цилиндр с двумя штоками скользящего типа

В этих сериях классическая направляющая на передней пластине заменена встроенным скользящим блоком, который опирается на два стержня через линейные шарикоподшипники или бронзовые втулки. Ползун становится монтажной поверхностью для инструментов, что позволяет легко прикрепить захваты, датчики или специальные приспособления без дополнительных переходных пластин. Серия CXSM особенно популярна на линиях сборки электронных компонентов с большим циклом цикла, поскольку шарикоподшипниковая направляющая обеспечивает практически нулевое прерывистое скольжение, что обеспечивает повторяемость позиционирования ±0,05 мм или выше. Размеры отверстий от 6 мм до 25 мм обеспечивают очень низкую общую высоту, что полезно в ограниченных рамах машин.

Серия CS2W / МБВт — двойная штанга среднего и большого диаметра

Для более тяжелых условий эксплуатации доступны двухштоковые пневмоцилиндры среднего диаметра с диаметром цилиндра от 125 до 160 мм и ходом до 1200 мм в зависимости от монтажа. В этих цилиндрах используются литые под давлением алюминиевые крышки и конструкция рулевой тяги. Тип CS2W обеспечивает экономию веса примерно на 50% по сравнению со стальными аналогами того же диаметра, что важно, когда цилиндр является частью движущейся оси машины. Воздушные подушки входят в стандартную комплектацию цилиндров этого класса с обеих сторон и поглощают кинетическую энергию более крупных узлов поршня со штоком.

Серия MGP/MGPM — компактный направляющий цилиндр с двумя внешними штоками

Технически серия MGP представляет собой управляемый цилиндр, а не чисто двухштоковый пневмоцилиндр, в котором рядом с центральным приводным поршнем размещены два внешних направляющих стержня, все они заключены в низкопрофильный алюминиевый корпус. Она выдерживает более высокие боковые нагрузки, чем любая конструкция, состоящая только из двух стержней, поскольку направляющие стержни расположены с максимальным моментом от центральной линии. Диаметры отверстий варьируются от 12 до 63 мм, рабочее давление до 1,0 МПа. Эта серия часто используется при прессовании и маркировке, где точность под нагрузкой имеет решающее значение.

Правильный выбор размера двухштокового воздушного цилиндра

Неправильный размер является единственной наиболее распространенной причиной преждевременного выхода из строя пневмоцилиндра или неудовлетворительной работы. Процесс расчета для цилиндра с двойным штоком немного отличается от цилиндра с одним штоком, особенно потому, что поршень равной площади упрощает расчет сил, а ограничения по пространству становятся более жестким ограничением.

Шаг 1: Определите необходимую силу

Рассчитайте фактическую нагрузку, которую цилиндр должен перемещать или удерживать. Для динамических применений (все, что ускоряется цилиндром) умножьте статическую нагрузку на коэффициент 2,0, чтобы учесть силы ускорения. Для статического удержания или зажима используйте коэффициент 1,25. Никогда не выбирайте 100% теоретическое усилие, поскольку трение, противодавление в выхлопной магистрали и износ со временем снижают эффективную мощность. Стандартный промышленный коэффициент нагрузки для динамических пневматических устройств составляет от 0,6 до 0,7; это означает, что теоретическая выходная сила цилиндра должна быть в 1,4–1,7 раза больше нагрузки.

Шаг 2. Рассчитайте необходимое отверстие

Поскольку обе стороны поршня двухштокового цилиндра имеют одинаковую площадь, формула силы для выдвижения и втягивания одинакова:

F = (π / 4) × D² × P

Где F — сила в Ньютонах, D — диаметр отверстия в метрах, а P — рабочее манометрическое давление в Паскалях. При давлении 0,5 МПа (5 бар) двухштоковый цилиндр диаметром 25 мм создает усилие примерно 245 Н. Отверстие диаметром 40 мм при том же давлении создает примерно 628 Н. Округлите до следующего стандартного размера отверстия после применения коэффициента нагрузки.

Шаг 3. Проверьте космический конверт

Наиболее игнорируемым ограничением при выборе двухштокового цилиндра является общая установленная длина. Поскольку один шток всегда выдвигается, рама машины должна выдерживать полную длину корпуса цилиндра плюс полный ход с обеих сторон. Общий требуемый зазор рамы = длина корпуса цилиндра (2 × ход). Для цилиндра с корпусом 100 мм и ходом 50 мм прорезь рамы должна быть не менее 200 мм. Игнорирование удлинения задней штанги привело к дорогостоящим изменениям конструкции машины во время ввода в эксплуатацию.

Шаг 4. Проверьте риск коробления при длинных ходах.

Если ход штока превышает диаметр штока в 10–15 раз, возникает опасность коробления штока при сжатии. Для стержня диаметром 12 мм практический максимальный ход сжатия без опоры составляет около 120–180 мм. Кроме того, обратитесь к номограммам устойчивости ISO 15552 или увеличьте диаметр стержня. В двухштоковых цилиндрах с направляющими второй шток распределяет сжимающую нагрузку между двумя элементами, значительно повышая безопасный предел хода по сравнению с конструкциями с одним штоком.

Промышленное применение, в котором превосходны пневмоцилиндры с двойным штоком

Уникальные механические свойства конфигурации с двойным стержнем делают его предпочтительным приводом в определенных промышленных сценариях. Знание этих сценариев помогает инженерам быстро определить, является ли подходящей отправной точкой стандартный одноштоковый пневматический цилиндр или специализированная конструкция с двойным штоком.

Автоматизированные системы сборки и перемещения

Машины для сборки электронных компонентов, системы обработки печатных плат и оборудование для упаковки полупроводников требуют приводов, которые совершают тысячи циклов в час в точных, повторяемых положениях. Противовращательное поведение двухштокового пневмоцилиндра гарантирует, что вакуумная присоска, захват или насадка, прикрепленные к концу штока, возвращаются в одну и ту же ориентацию при каждом ходе. При типичных рабочих скоростях 200–500 мм/с и частоте циклов 60–120 в минуту смещение вращения даже на 1° за цикл накапливается и приводит к видимому смещению в течение нескольких минут.

Зажим и фиксация с двунаправленной силой

Сварочные приспособления, тиски для механической обработки и пресс-инструменты часто требуют зажима с контролируемой силой в обоих направлениях: зажимая заготовку при выдвижении и принудительно отпуская ее при втягивании против силы пружины или трения. Пневматический цилиндр с двойным штоком обеспечивает равную силу зажима и отпускания при одинаковом давлении подачи, что устраняет необходимость регулировки регуляторов давления между последовательностями зажима и отпускания. Это упрощает пневматическую схему и уменьшает количество необходимых клапанов регулирования давления.

Синхронное многоосное движение

Когда два пневмоцилиндра должны двигаться вместе в портальной или транспортной системе, одинаковый расход потока в обоих направлениях упрощает балансировку потока. Поскольку двухштоковый цилиндр вытесняет один и тот же объем воздуха при каждом ходе, два цилиндра, питаемые от общего коллектора с согласованными регуляторами потока, будут двигаться с одинаковой скоростью и одновременно прибудут в конечное положение. На практике такое симметричное потребление воздуха сокращает время настройки системы за счет устранения дифференциальных поправок расхода, необходимых для пар цилиндров с одним штоком.

X-Y слайдовые столы и линейные столики

Цилиндры с двойным направляющим стержнем класса CXSM или скользящего типа регулярно штабелируются в перпендикулярной ориентации для создания компактных X-Y-ступеней для лазерной маркировки, дозирования или контроля. Монтажные профили с Т-образными пазами на двухштоковых цилиндрах с направляющими позволяют крепить их болтами непосредственно друг к другу без механически обработанных переходных кронштейнов, что сокращает время сборки и количество деталей. Типичный двухосный столик, построенный из цилиндров CXSM диаметром 16 мм, весит менее 800 граммов и занимает площадь примерно 80 × 80 мм, помещаясь в компактные настольные ячейки автоматизации.

Текстильное, полиграфическое и бумажное оборудование

Машины для перемещения полотна подвергают приводы значительным боковым и скручивающим нагрузкам от движущегося материала. Стандартный одноштоковый пневматический цилиндр прогибается под действием этих боковых нагрузок, что приводит к износу уплотнения штока и возможным утечкам. Цилиндры с двойным штоком распределяют боковое усилие между двумя соединениями шток-втулка, что значительно продлевает срок службы уплотнения в этих приложениях. Некоторые производители текстильного оборудования сообщают, что интервалы замены уплотнений составляют более 50 миллионов циклов при использовании двухштоковых цилиндров подходящего размера по сравнению с 15–20 миллионами циклов при использовании сопоставимых одноштоковых цилиндров.

Упаковка для продуктов питания, напитков и фармацевтических препаратов

Высокоточные машины для наполнения, укупорки и этикетирования требуют повторяющихся положений хода и постоянного усилия для работы с хрупкими контейнерами. Стеклянные бутылки, блистерные упаковки и флаконы ломаются или застревают, если сила привода не контролируется. Равная сила выдвижения и втягивания двухштокового пневмоцилиндра упрощает процедуру установки давления во время ввода машины в эксплуатацию, а функция предотвращения вращения обеспечивает постоянное выравнивание головок аппликаторов с особенностями контейнера.

Подача воздуха и системные требования для цилиндров с двойным штоком

Двойной стержень air cylinder performs reliably only when the compressed air supply meets basic quality and pressure standards. Running a pneumatic cylinder on dirty, wet, or incorrectly pressurized air is the fastest path to premature seal failure and positioning errors.

Фильтрация

Для всех пневматических приводов, включая двухштоковые цилиндры, требуется фильтрация воздуха с размером частиц минимум 40 мкм или тоньше (ISO 8573-1:2010, класс 4). Частицы большего размера действуют как абразив на уплотнения поршня и штока, ускоряя износ. Для прецизионных цилиндров (CXSM, MGP) рекомендуется фильтрация до 5 мкм для защиты линейных подшипников. Всегда устанавливайте блок FRL (фильтр-регулятор-смазка) перед контуром цилиндра или используйте несмазанные цилиндры с коалесцирующим фильтром, если требуется работа без масла.

Рабочее давление

Стандартные двухштоковые пневмоцилиндры рассчитаны на рабочее давление от минимального пускового давления 0,05 МПа (0,5 бар) до максимального давления 1,0 МПа (10 бар). Большинство промышленных систем сжатого воздуха работают при давлении 0,5–0,7 МПа (5–7 бар), что находится в середине этого диапазона. Работа при максимальном давлении ускоряет износ уплотнений и снижает эффективность амортизации. Наиболее эффективной рабочей точкой для пневмоцилиндра правильного размера является самое низкое давление, при котором создается необходимая сила с коэффициентом безопасности 1,4× — обычно в диапазоне 0,4–0,6 МПа для большинства задач автоматизации.

Температура

Стандартные уплотнения из бутадиен-нитрильного каучука в большинстве двухштоковых цилиндров надежно работают при температуре от -20°C до 80°C. Для применения рядом с печами, сушилками или станциями термосварки используйте уплотнения из витона (FKM), рассчитанные на температуру 150°C. На холодном конце в условиях минусовой температуры, таких как конвейерные системы морозильных камер, могут потребоваться низкотемпературные соединения NBR или уплотнения из ПТФЭ для предотвращения затвердевания и прорыва уплотнений.

Конфигурации монтажа и рекомендации по установке

Правильная установка имеет решающее значение для любого пневматического привода, но для пневмоцилиндра с двойным штоком требования особенно строгие, поскольку несоосность вызывает удвоенное напряжение уплотнения штока по сравнению с агрегатом с одним штоком.

Доступные стили крепления

Пневматические цилиндры с двойным штоком поддерживают следующие конфигурации монтажа:

• Ножное крепление (LB): кронштейны, приваренные или прикрученные к корпусу цилиндра; наиболее распространен в приложениях с фиксированным перемещением
• Передний фланец (FA): фланец, прикрепленный болтами к крышке головной части; полезно, когда цилиндр необходимо установить внутри корпуса
• Фланец с заглушкой (FB): фланец на конце крышки, используется, когда доступ к переднему стержню ограничен.
• Цапфовое крепление (TC): позволяет цилиндру вращаться вокруг фиксированной оси; совместим с некоторыми конструкциями с двойным стержнем, но уточняйте у производителя
• Корпус с Т-образным пазом (направляющая серия): боковые Т-образные пазы вдоль корпуса цилиндра позволяют регулировать положение и прямой монтаж на профилях.

Обратите внимание, что шарнирные и шарнирные (задние сферические) крепления недоступны для большинства конструкций с двойной тягой. Выступающий задний стержень предотвращает такую ​​геометрию кронштейна. Если для применения требуется поворотный цилиндр, лучшим решением обычно является конструкция с одним стержнем и направляющей, препятствующей вращению, внешней по отношению к цилиндру.

Выравнивание во время установки

Оба конца стержня должны быть точно соосны направлению движения. Любое угловое смещение концевого соединения штока создает изгибающий момент на уплотнении штока, что ускоряет износ. В частности, для направляющих двухштоковых цилиндров поверхность нагрузки ползуна должна быть перпендикулярна штокам в пределах 0,05 мм по монтажной поверхности. Используйте циферблатный индикатор, чтобы проверить соосность перед окончательной затяжкой болта. Плавающие соединения (стержневая проушина со сферическим подшипником) в месте подключения нагрузки компенсируют незначительные смещения, но не заменяют правильное механическое выравнивание при установке.

Регулировка подушки

Оба конца двухштокового пневмоцилиндра имеют регулируемые игольчатые клапаны с амортизацией. Они должны быть установлены для каждой конкретной комбинации нагрузки и скорости. Правильная регулировка подушки обеспечивает плавное замедление без слышимого удара о конце и без видимого отскока поршня. Начните с полностью открытого игольчатого клапана (минимальное демпфирование), затем постепенно закрывайте его до исчезновения ударного шума. Чрезмерное затягивание подушки, особенно при ходе выдвижения, резко снизит скорость цикла, поскольку цилиндру требуется больше времени, чтобы достичь конечного положения. Оптимальной настройкой является самое свободное положение иглы, при котором исключается механическое воздействие.

Техническое обслуживание и устранение неисправностей двухштоковых пневмоцилиндров

Хорошо подобранный и правильно установленный двухштоковый пневмоцилиндр требует минимального текущего обслуживания. Наиболее распространенные виды отказов предсказуемы и предотвратимы.

Утечка через уплотнение штока

Утечка внешнего воздуха в сальниках штока является наиболее часто встречающейся проблемой. Это почти всегда вызвано одним из трех факторов: загрязненной подачей воздуха (абразивные частицы разрезают кромку уплотнения), задирами на поверхности штока (из-за боковых нагрузок или повреждений при установке) или затвердеванием уплотнения из-за экстремальных температур. Перед заменой уплотнений проверьте поверхность штока на наличие царапин — установка нового уплотнения на поврежденный шток приведет к немедленному повторному выходу из строя. Перед повторной сборкой используйте полировальную ткань с зернистостью 600 для устранения мелких царапин на стержне.

Уменьшенная скорость или сила

Если двухштоковый пневмоцилиндр работает заметно медленнее или слабее в одном направлении хода, чем в другом (в конструкции, где оба должны быть равными), вероятными причинами являются частично заблокированное отверстие, частично засоренный клапан регулирования потока или поврежденное уплотнение поршня, обеспечивающее перепуск между двумя камерами. Изолируйте цилиндр и проверьте каждую камеру под давлением индивидуально: подайте давление 0,5 МПа на один порт, перекрыв другой и контролируя падение давления в течение 60 секунд. Падение давления более 5% в минуту указывает на обход уплотнения поршня.

Смещение положения в направляющих цилиндрах

Если двухштоковый цилиндр с направляющей начинает показывать возрастающую ошибку положения в конце хода, обычно виноваты изношенные линейные подшипники или бронзовые втулки в концевой пластине. Износ подшипника приводит к тому, что ползун слегка раскачивается, смещая точку контакта любого прикрепленного инструмента. Заменяйте втулки с интервалом, указанным производителем, обычно каждые 5–10 миллионов циклов для бронзовых и каждые 20–50 миллионов циклов для шариковых подшипников, в зависимости от нагрузки.

Растрескивание торцевой крышки в условиях многоциклового применения

В цилиндрах, проходящих цикл более 20 миллионов раз в год, на торцевых крышках из литого под давлением алюминия могут появиться усталостные растрескивания, обычно распространяющиеся от бобышки порта или отверстия под рулевую тягу. Это признак того, что настройка амортизации была слишком жесткой, что привело к повторяющимся ударным нагрузкам в конце хода. Перенастройте клапаны амортизаторов и проверьте крепление на предмет резонансной вибрации, которая увеличивает ударную нагрузку. Если после повторной настройки растрескивание крышки повторяется, перейдите на цилиндр с кованым или стальным корпусом той же серии отверстий.

Выбор между типами пневмоцилиндров с двойным штоком: основа принятия решения

Имея в наличии несколько различных серий, инженеры часто сталкиваются с неуверенностью относительно того, какой тип двухштокового цилиндра лучше всего подходит для их применения. Следующие критерии обеспечивают структурированный способ сузить выбор.

Если рабочее давление, материал уплотнения или материал штока отклоняются от стандартного, обратитесь к производителю цилиндра для получения индивидуальной конфигурации. Большинство крупных поставщиков предлагают нестандартные уплотнения (витон, ПТФЭ), варианты стержней и цилиндров из нержавеющей стали для промывных сред, а также специальные положения портов или стандарты резьбы (Rc, NPT, G) для соответствия существующему оборудованию пневматических цепей.

Соображения стоимости и оценка общей стоимости

Двойной стержень air cylinder costs more upfront than an equivalent bore single-rod pneumatic cylinder, primarily because it contains an additional rod, a second rod seal and scraper, and a second gland bore machined in the cap-end cover. For a typical 20 mm bore unit with a 50 mm stroke, the price premium over a comparable single-rod design is roughly 30–60% depending on the series and supplier.

Однако в тех случаях, когда для одноштокового цилиндра потребуется внешняя направляющая, предотвращающая вращение, экономика часто меняется на противоположную. Узел направляющего стержня, предотвращающего вращение, — приобретается отдельно и устанавливается рядом со стандартным пневмоцилиндром — обычно стоит дороже, чем премиум-класс за специально изготовленный двухштоковый цилиндр, усложняет работу и увеличивает общий размер корпуса. В условиях большого цикла, где время простоя дорогое, увеличенный срок службы уплотнений и сокращение объема технического обслуживания правильно подобранного двухштокового пневмоцилиндра обеспечивают заметно более низкую совокупную стоимость владения в течение трех-пяти лет.

Правильный вопрос заключается не в том, дешевле ли цилиндр с двойным штоком, чем цилиндр с одним стержнем, а в том, дешевле ли он, чем цилиндр с одним стержнем, плюс все затраты на внешнее оборудование и техническое обслуживание, необходимые для обеспечения его эквивалентной работы в приложении.