Руководство по проектированию пневматического цилиндра: диаметр цилиндра, ход поршня, монтаж, амортизация и выбор

Что на самом деле решает конструкция пневматического цилиндра

Заказ пневмоцилиндра машиностроителем обычно начинается с одной цифры: массы груза, который должен переместить цилиндр. Но сама конструкция цилиндра — диаметр цилиндра, конструктивное исполнение, крепление, амортизация и система уплотнений — решает, будет ли эта нагрузка надежно перемещаться в течение десяти миллионов циклов или выйдет из строя в течение первого года. Хорошая конструкция пневматического цилиндра – это не единая формула; это цепочка решений, все из которых должны соответствовать приложению.

Прямой ответ: конструкция пневматического цилиндра — это систематическое соответствие диаметра отверстия, длины хода, типа конструкции, материала крепления, амортизации и уплотнения нагрузке, имеющемуся давлению воздуха, требуемому времени цикла и рабочей среде. Как только эти шесть значений соответствуют приложению, все остальное — диаграммы усилий, списки аксессуаров, размещение датчиков — становится детальной проработкой.

Это та же логика проектирования, что и ЦКТ Пневматический применимо ко всем сериям цилиндров, которые мы производим и тестируем собственными силами. Приведенное ниже руководство написано с инженерной точки зрения, с цифрами и компромиссами, которые имеют значение на реальной чертежной доске.

Начните с нагрузки: размер отверстия и расчет силы

Конструкция любого цилиндра начинается с требования к усилию. Цилиндр двустороннего действия генерирует силу путем подачи сжатого воздуха к поршню, поэтому теоретическая сила проста: F = P × A, где P — манометрическое давление в паскалях, а A — эффективная площадь поршня в квадратных метрах. Для хода выдвижения A = (π/4) × D².

Проработанный пример для привязки чисел

Рассмотрим цилиндр диаметром 63 мм, подаваемый под давлением 0,6 МПа. Площадь поршня равна (π/4) × (0,063 м)² = 0,00312 м². Умножение на 600 000 Па дает Теоретическая сила растяжения 1870 Н . Поскольку уплотнения, набивка штока и потери давления в контуре поглощают энергию, практическая сила обычно составляет 75–90% от теоретического значения, поэтому проектировщик может рассчитывать примерно на 1400–1680 Н для непрерывной работы. Тот же порядок величин представлен в диаграммах сил в руководстве Power & Motion «Факторы проектирования пневматических цилиндров» и в данных выбора, используемых в отрасли.

Сила втягивания никогда не совпадает с силой выдвижения.

На обратном ходе шток занимает часть канала ствола, поэтому эффективная площадь меньше. Отверстие 63 мм со штоком 20 мм имеет площадь втягивания (π/4) × (0,063² − 0,020²) = 0,00281 м², что при давлении 0,6 МПа создает только 1685 Н. Если обратный ход несет более тяжелую нагрузку, определите размер отверстия в корпусе втягивания, используя площадь, отрегулированную штоком — распространенная ошибка, которая проявляется в медленной скорости возврата и преждевременном износе уплотнения штока.

После расчета идеального отверстия добавьте расчетный запас. Коэффициент безопасности 1,25–1,5 по сравнению с теоретической силой является стандартным для динамических приложений. ; запас поглощает колебания давления, износ уплотнений и эффекты скорости, которые возникают в реальных машинах.

Выбор строительной группы, подходящей для данной работы

Конструкция цилиндра – то, как скреплены вместе трубка, торцевые крышки и шток – определяет диапазон отверстий, который он может перекрыть, насколько легко его ремонтировать и какую боковую нагрузку он может выдерживать. Для практического просмотра внутренних частей см. более пристальный взгляд на анатомию пневматических цилиндров объясняет роль трубки, крышки, головки, поршня и уплотнений. У каждого из трех семейств, доминирующих в промышленном дизайне, своя логика.

Цилиндры с рулевой тягой: промышленный стандарт

Цилиндры рулевых тяг зажимают торцевые крышки длинными болтами, проходящими по всей длине корпуса. Они охватывают самый широкий диапазон отверстий, обычно 32–320 мм, могут быть разобраны для замены уплотнений и выдерживают самые высокие осевые нагрузки. Цилиндры с рулевой тягой серии SC Следуйте этой конструкции, и это семейство остается наиболее востребованным в нашем каталоге, поскольку его легко монтировать, легко ремонтировать и легко сочетать с аксессуарами ISO.

Поставщики стандартных цилиндров серии SC (тип рулевой тяги), завод OEM / ODM - Чжэцзян ЦКТ Пневматический is a China wholesale SC Series (Tie Rod Type) Standard Cylinder suppliers and OEM/ODM factory, 1. The piston seal adopts a ... Посмотреть продукт →

Цилиндры с круглым корпусом: компактные и экономичные.

В цилиндрах с круглым корпусом, обычно диаметром 8–25 мм, используется тянутая или прокатанная трубка с резьбовыми торцевыми крышками. Они легкие, недорогие и идеально подходят для короткоходных движений в небольших машинах. Компромиссом является меньшая боковая нагрузка и небольшая регулируемая амортизация или ее полное отсутствие, поэтому их следует использовать для чистых задач с осевым движением.

Профильные цилиндры: созданы для современных машин с большим количеством датчиков

Профильные цилиндры имеют корпус из экструдированного алюминия со встроенными воздушными отверстиями и пазами для датчиков. Их основным конструктивным преимуществом является интеграция: магнитные переключатели вставляются в пазы, клапаны можно устанавливать непосредственно на корпусе, а плоские поверхности делают монтаж машины намного более чистым, чем при использовании круглых трубок. Они используются по умолчанию на современных сборочных и упаковочных линиях, где датчики, коллекторы и ограждения крепятся к самому приводу.

Длина хода, скорость и время цикла

Установите ход с полями, а не с точным ходом

Номинальный ход должен равняться требуемому ходу плюс запас на обоих концах, обычно 5–10 мм на каждом конце. При вертикальном применении также добавьте полное сжатие подушки или бампера. Если поршень достигает нижней точки на торцевой крышке в конце каждого хода, цилиндр будет изнашиваться гораздо быстрее, чем предполагает любой срок службы, указанный в каталоге. Слишком короткий ход на 10 мм может превратить конструкцию, рассчитанную на 10 миллионов циклов, в деталь, требующую ремонта на 200 000 циклов.

Скорость зависит от всей цепи, а не только от цилиндра.

Скорость вращения цилиндра определяется диаметром отверстия, коэффициентом расхода клапана, размером порта и линией подачи. В хорошо сбалансированной схеме стандартный цилиндр работает со скоростью примерно 0,1–0,6 м/с. Как отмечается в руководстве для дизайнеров компании Fluid Power World, можно ожидать, что поршень с уплотнением U-образной манжеты будет работать со скоростью выше 20 дюймов в секунду (около 0,5 м/с) без проблем с чрезмерным трением или смазкой. Если целевая скорость составляет 1 м/с или выше, необходимо увеличить размер клапана и перепроектировать порты вместе с цилиндром; цилиндр сам по себе не может создать скорость.

Время цикла оценивается с помощью простой процедуры:

1. Определите ход и добавьте запас хода.
2. Установите среднюю скорость для направлений выдвижения и втягивания.
3. Рассчитайте время в каждом направлении как ход, разделенный на скорость.
4. Добавьте время задержки и время отклика клапана, чтобы получить полное время цикла.

В качестве конкретного примера: ход длиной 300 мм со скоростью 0,5 м/с занимает 0,6 с в каждом направлении; при выдержке 0,2 с полный цикл выдвижения-втягивания составляет около 1,4 с, что соответствует примерно 43 циклам/мин. Если машине требуется 60 циклов в минуту, либо скорость должна увеличиться примерно до 0,6 м/с в каждую сторону, либо ход должен уменьшиться — и оба изменения влияют на размер клапана, амортизацию и жесткость крепления.

Стили монтажа и цена смещения

Четыре семейства креплений, четыре варианта центровки

• Крепления для ног являются самыми простыми и дешевыми, но корпус может прогибаться под нагрузкой, поэтому центровка полностью зависит от рамы машины.
• Фланцевые крепления (головка или задняя часть) являются жесткими и подходят для применения в условиях большой тяги, когда корпус цилиндра не должен перемещаться.
• Крепления для вилки позволять цилиндру качаться в одной плоскости, что существенно при движении штока по дуге через рычажный механизм.
• Крепления цапфы (в центре или сзади) поддерживают корпус с обеих сторон и являются лучшим выбором для тяжелых цилиндров, которым требуется контролируемый поворот.

Боковые нагрузки являются наиболее распространенной причиной выхода из строя конструкции цилиндра.

Если линия тяги не совпадает с осевой линией штока, шток и передний подшипник должны воспринимать изгибающий момент. Даже боковая сила, равная всего лишь нескольким процентам номинального усилия, значительно сократит срок службы подшипников и уплотнений. Вот почему как рекомендации по выбору Machine Design, так и факторы проектирования цилиндров Power & Motion настаивают на том, чтобы тяга цилиндра была как можно ближе к центральной линии штока поршня.

Когда геометрия вызывает смещение, правильным ответом является направляемая конструкция — многоосный цилиндр, скользящий цилиндр или компактный цилиндр с направляющим стержнем — а не просто выбор стандартного цилиндра большего размера. Больший диаметр создает большую силу, но не фиксирует изгибающий момент.

Компактная конструкция цилиндра для ограниченного пространства

Когда корпус машины фиксирован, стандартным ответом являются компактные цилиндры. Они следуют той же логике сил, что и полноразмерные цилиндры, но помещают поршень и шток внутри короткого корпуса, обычно изготовленного в соответствии с ИСО 21287. Основным конструктивным компромиссом является ход: очень короткий корпус не может направлять длинный шток без дополнительной опоры подшипника, поэтому большинство компактных конструкций лучше всего работают при ходе поршня менее 100–150 мм.

Где компактные цилиндры завоевывают свое место

Зажим, индексирование, подача и выброс детали — все это операции с коротким ходом и большим циклом. Замена рулевого цилиндра на компактный корпус позволяет сэкономить 30–50 мм на ось; на станке с шестью или восемью осями такая экономия меняет всю раму и компоновку ограждения. Компактный корпус также уменьшает движущуюся массу, что снижает кинетическую энергию в конце хода и позволяет быстрее ездить на велосипеде с тем же клапаном.

Держите направляющую функцию отдельно от силовой функции.

Поскольку компактный корпус обеспечивает ограниченную поддержку штока, никогда не ждите, что компактный цилиндр будет поглощать изгибающие моменты. Для чистого осевого движения вполне достаточно простого компактного корпуса. Компактные тонкие цилиндры серии CQ2 хорошо справляется с зажимом и толканием. Всякий раз, когда конструкция создает внеосевую или моментную нагрузку, переходите к варианту с направляющей, например CQM с направляющим стержнем, или к семейству скользящих цилиндров с собственной линейной направляющей.

Поставщики тонких цилиндров серии CQ2, завод OEM/ODM - Zhejiang CKT Pneumatic Co. ЦКТ Пневматический is a China wholesale CQ2 Series Thin Cylinder suppliers and OEM/ODM factory, 1. The magnetic switch does not protrude: prev... Посмотреть продукт →

Бесштоковая конструкция цилиндра для длинного хода

Бесштоковые цилиндры решают классическую конструкторскую задачу: перемещение груза на длинный ход без выступания стержня из машины. Поскольку каретка перемещается вместе с поршнем, установочная длина примерно вдвое меньше, чем у штокового цилиндра с таким же ходом. Существуют два семейства конструкций, и выбор между ними представляет собой настоящий инженерный компромисс.

Бесштоковые цилиндры с магнитной связью

В магнитной конструкции поршень, оснащенный сильными магнитами, тянет внешнюю каретку через стенку трубы. Отсутствие механического паза обеспечивает чистоту и экономичность конструкции, однако муфта может проскальзывать, когда каретка испытывает ударную нагрузку или поднимает тяжелую вертикальную массу. Эти цилиндры подходят для легких погрузочно-разгрузочных работ и работ по сборке-установке, их ход обычно составляет до 2–3 метров.

Бесштоковые цилиндры с механическим соединением

Цилиндр с механическим соединением соединяет поршень непосредственно с кареткой через прорезь, закрытую лентой из нержавеющей стали. Он передает более высокие силы в обоих направлениях и не скользит, что важно для вертикальных перемещений. Бесштоковые цилиндры MY1B с механическим шарниром являются репрезентативным примером этого семейства для проектировщиков, которым требуется повторяемое позиционирование с более тяжелыми нагрузками.

Бесштоковые цилиндры с механическим шарниром серии MY1B (базовый тип) Поставщики, OEM/ODM Fa ЦКТ Пневматический is a China wholesale MY1B Series Mechanical Joint Rodless Cylinder (Basic Type) suppliers and OEM/ODM factory, MY1B Series ... Посмотреть продукт →

Амортизация: разработка амортизатора в конце хода

В конце хода происходит наибольший механический износ. На торцевой крышке поршень должен рассеивать кинетическую энергию E = 0,5×m×v². Тележка массой 50 кг, движущаяся со скоростью 0,5 м/с, несет 6,25 джоулей кинетической энергии ; без амортизации эта энергия поглощается за миллисекунды крышкой и уплотнениями.

Практическое правило: при скорости ниже 0,1 м/с при небольших нагрузках достаточно резинового или полиуретанового амортизатора; от 0,1 до 0,5 м/с при умеренных нагрузках, регулируемые пневматические подушки входят в стандартную комплектацию; при более высоких скоростях или при больших нагрузках установите внешний гидравлический амортизатор. Соответствие амортизации фактической кинетической энергии является частью конструкции цилиндра, а не второстепенной мыслью.

Уплотнения, температура и качество воздуха

Материал уплотнения определяет рабочее окно

В стандартных цилиндрах используются уплотнения из NBR, обычно рассчитанные на температуру от -20 °C до 80 °C. Уплотнения из FKM (Витон) расширяют верхний предел примерно до 200 °C, что важно в сушильных линиях и дверцах печей. Полиуретановые дворники часто используются в пыльных помещениях. Конструкция уплотнения также влияет на скорость: уплотнения U-образной формы обеспечивают надежную герметизацию на низких скоростях, а динамические уплотнительные кольца предпочтительнее для езды на высоких скоростях, поскольку они создают меньше трения.

Грязный воздух сокращает срок службы цилиндров больше, чем что-либо другое.

Чаще всего износ цилиндров начинается с загрязненного сжатого воздуха. Вода, остатки компрессорного масла и мелкие частицы забивают трубку и разрушают уплотнения штока. Установка модульного F.R.L. установка с фильтром 5 мкм и надлежащим отделением влаги в месте использования будет способствовать увеличению срока службы баллона больше, чем смена марки баллона. Давление, расход и уплотнение следует рассматривать как единую систему, начиная с блока подготовки воздуха и заканчивая выпускным отверстием.

Стандарты, определяющие конструкцию пневматических цилиндров

Дизайн также подразумевает взаимозаменяемость. Почти каждый пневматический цилиндр, продаваемый по всему миру, соответствует одному из трех стандартов размеров ISO, и семейство конструкций обычно определяется этим стандартом. Приведенные ниже диапазоны отверстий отражают общепринятую отраслевую интерпретацию, используемую в справочном руководстве в обзоре пневматических цилиндров Tameson и эквивалентных источниках.

Приобретение цилиндра, соответствующего требованиям ISO, означает, что сменный блок другой марки обычно вставляется в те же крепления без перерисовки машины. Напротив, нестандартный ход или нестандартная длина штока обычно означают более длительное время выполнения заказа и более высокую цену, поэтому проверьте диапазон хода по каталогу, прежде чем замораживать конструкцию. С более двух десятилетий опыта производства пневматических компонентов , мы создаем наши стандартные и тонкие цилиндры в соответствии с этими стандартами, чтобы клиенты могли менять поставщиков без изменения конструкции крепления.

Контрольный список предварительного заказа на конструкцию пневматического цилиндра

Прежде чем ремонтировать модель цилиндра, выполните этот контрольный список. Каждый элемент является входными данными для проектирования, и пропуск одного из них обычно проявляется как сбой на объекте или дорогостоящий заказ на внесение изменений.

• Осевая нагрузка для выдвижения и втягивания плюс коэффициент запаса прочности 1,25–1,5.
• Давление питания доступен в порту цилиндра, а не только в компрессоре.
• Длина хода равен перемещению плюс конечные поля.
• Скорость и время цикла , при этом Cv клапана и размеры портов проверяются как один контур.
• Монтажное семейство выбрано по направлению тяги и геометрии машины.
• Боковые нагрузки устранены или перенесены на конструкцию управляемого цилиндра.
• Амортизация соответствует кинетической энергии в конце хода.
• Окружающая среда : диапазон температур, влажность, воздействие промывки или пыли.
• Определение положения : магнитный поршень с магнитным переключателем или внешним линейным датчиком.
• План обслуживания : восстанавливаемая рулевая тяга или сменный картриджный цилиндр.

Часто задаваемые вопросы о конструкции пневматического цилиндра

Как рассчитать силу, которую может создать пневматический цилиндр?

Используйте F = P × A, где A — эффективная площадь поршня. Для отверстия диаметром 63 мм при давлении 0,6 МПа теоретическое усилие растяжения составляет 1870 Н. На практике для учета трения уплотнения примените эффективность 75–90 %, а затем примените коэффициент запаса 1,25–1,5 для динамических нагрузок.

Какой размер отверстия мне нужен для нагрузки 500 кг?

Нагрузка массой 500 кг, оказывающая примерно 4900 Н, требует теоретической силы около 6125 Н при давлении 0,6 МПа, если принять КПД 80%. Диаметр отверстия 100 мм дает 4712 Н, что недостаточно; диаметр отверстия 125 мм дает 7363 Н, чего вполне достаточно. Всегда проверяйте также ход втягивания, поскольку стержень уменьшает эффективную площадь.

Какая конструкция цилиндра лучше всего подходит для длинных ходов?

Бесштоковые цилиндры являются лучшим выбором для хода поршня более 500 мм, поскольку монтажная длина составляет примерно половину длины цилиндра со штоком. Используйте конструкцию с магнитным соединением для легкого и чистого обращения, а конструкцию с механическим соединением для более тяжелых грузов или вертикальных перемещений, когда скольжение недопустимо.

Почему мой цилиндр выходит из строя из-за боковой нагрузки, хотя усилие правильное?

Потому что боковая нагрузка создает изгибающий момент на штоке и переднем подшипнике, который не может компенсировать никакая осевая сила. Даже боковая сила в несколько процентов от номинального усилия сокращает срок службы подшипников и уплотнений. Решение состоит в том, чтобы поддерживать тягу на одной линии с осевой линией штока или использовать конструкцию направляющего цилиндра.

Может ли стандартный пневматический цилиндр удерживать нагрузку в середине хода?

Нет. Сжатый воздух сжимаем, поэтому стандартный цилиндр двустороннего действия не может удерживать фиксированное положение при изменяющейся нагрузке. Если требуется удержание в середине хода, используйте механический фиксатор штока, стопорный цилиндр или внешний тормоз.

В чем разница между конструкциями цилиндров одностороннего и двустороннего действия?

Цилиндр одностороннего действия использует воздух для движения в одном направлении и пружину для возврата, что упрощает схему, но ограничивает ход и потребляет энергию пружины при возврате. Цилиндр двойного действия использует воздух в обоих направлениях, обеспечивая полный контроль силы, скорости и амортизации в обоих направлениях — стандартный выбор для большинства систем автоматизации.