Типы воздушных баллонов: полное руководство

Каковы различные типы воздушных баллонов?

Пневматические цилиндры — также называемые пневматическими цилиндрами — преобразуют энергию сжатого воздуха в механическое линейное или вращательное движение. Есть шесть основных типов воздушных баллонов используется в промышленности, автомобилестроении и производстве: цилиндры одностороннего действия, цилиндры двойного действия, телескопические цилиндры, бесштоковые цилиндры, поворотные цилиндры и компактные/направляющие цилиндры. Каждый тип служит определенной механической цели, и неправильный выбор может привести к преждевременному износу, перерасходу энергии или полному отказу системы.

Понимание этих категорий является не просто академическим — мировой рынок пневматических цилиндров оценивается примерно в 14,2 миллиарда долларов в 2023 году и, по прогнозам, будет стабильно расти до 2030 года, что обусловлено спросом на автоматизацию в упаковочной, пищевой промышленности и сборке автомобилей. Правильный выбор цилиндра напрямую влияет на время цикла, потребление энергии и интервалы технического обслуживания.

Пневматические цилиндры одностороннего действия

В цилиндрах одностороннего действия сжатый воздух перемещает поршень только в одном направлении. Обратный ход осуществляется внутренней пружиной или внешней механической силой, например силой тяжести. Это одни из самых простых и экономичных пневматических цилиндров.

Как работают цилиндры одностороннего действия

Сжатый воздух поступает через одно отверстие и толкает поршень вперед. Когда давление воздуха сбрасывается, внутренняя пружина толкает поршень обратно в исходное положение. Поскольку пружина выполняет половину работы, эффективная выходная сила уменьшается за счет сопротивления пружины — обычно между 10% и 20% в зависимости от жесткости пружины и размера цилиндра.

Общие приложения

• Зажим и удержание заготовок во время обработки.
• Операции штамповки и пробивки, при которых обратный ход не требует применения силы.
• Приводы дверей и ворот, где гравитация способствует возврату
• Тормозные механизмы и предохранительно-запорные устройства
• Сельскохозяйственное оборудование, такое как сеялки и посадочные механизмы.

Цилиндры одностороннего действия являются предпочтительным выбором, когда необходимо свести к минимуму потребление воздуха, поскольку воздух расходуется только во время рабочего хода. В высокоцикловых приложениях, работающих со скоростью 50–100 циклов в минуту, это приводит к значительной экономии сжатого воздуха в течение производственной смены.

Ограничения, которые следует учитывать

Длина хода цилиндров одностороннего действия ограничена, поскольку для более длинного хода требуются более длинные пружины, которые занимают пространство отверстия и уменьшают полезную площадь цилиндра. На практике большинство производителей ограничивают ходы цилиндров с пружинным возвратом. 100 мм (приблизительно 4 дюйма) или меньше. Кроме того, конструкция двойного действия становится более практичной.

Пневматические цилиндры двойного действия

Цилиндры двустороннего действия являются наиболее широко используемым типом пневматических цилиндров в промышленной автоматизации. Они используют сжатый воздух для управления ходами выдвижения и втягивания, что дает оператору полный контроль над усилием и скоростью в обоих направлениях.

Конструкция и принцип работы

Цилиндр двустороннего действия имеет два отверстия для воздуха — по одному с каждой стороны поршня. Когда воздух попадает в отверстие на конце крышки, поршень выдвигается. Когда воздух направляется в отверстие на конце штока, поршень втягивается. Распределительный клапан (обычно электромагнитный клапан 4/2 или 5/2) попеременно распределяет поток воздуха между двумя портами. Поскольку пружина не задействована, Полнопроходная площадь способствует увеличению силы , что делает эти цилиндры значительно более мощными, чем их аналоги одностороннего действия с таким же диаметром отверстия.

Различия в расчете силы между штрихами

Одно важное отличие: силы выдвижения и втягивания не равны. При ходе выдвижения сила рассчитывается с использованием площади полного отверстия. При ходе втягивания шток поршня занимает часть отверстия, поэтому эффективная площадь — и, следовательно, сила втягивания — немного меньше. Для цилиндра с диаметром отверстия 50 мм и штоком 20 мм при давлении 6 бар сила выдвижения составляет примерно 1178 Н в то время как сила втягивания падает примерно до 990 Н . Эту асимметрию необходимо учитывать в конструкциях, где сила отвода имеет решающее значение.

Типичные случаи использования

• Автоматизация захвата и размещения на сборочных линиях
• Конвейерные отклонители и сортировочные системы
• Зажимы и эжекторы для термопластавтоматов
• Роботизированная оснастка на конце руки
• Приспособления для сварки и прессования кузовов автомобилей

Пневматические цилиндры двустороннего действия доступны с размерами внутреннего диаметра от от 8 мм до более 320 мм , охватывающий выходную силу от нескольких ньютонов до десятков килоньютон. Такой широкий диапазон позволяет адаптировать их практически к любому промышленному применению.

Телескопические воздушные цилиндры

Телескопические цилиндры предназначены для применений, где необходим длинный ход, но длина втянутого (сложенного) положения должна оставаться короткой. Они достигают этого за счет использования нескольких вложенных друг в друга трубок, называемых ступенями или рукавами, которые последовательно проходят одна внутри другой.

Телескопические конструкции одностороннего и двойного действия

Телескопические цилиндры доступны в конфигурациях как одностороннего, так и двойного действия. Версии одностороннего действия проще и дешевле, но втягивание осуществляется за счет силы тяжести или веса груза, что делает их пригодными в основном для вертикального подъема. Телескопические цилиндры двойного действия могут выдвигаться и втягиваться под действием силы, что позволяет осуществлять горизонтальную или перевернутую установку, хотя их конструкция значительно сложнее, а стоимость существенно выше.

Ключевые приложения

• Самосвалы и самосвальные кузова, требующие 3–5-ступенчатых цилиндров.
• Ножничные подъемники и автовышки
• Оборудование театральной сцены и развлекательное оборудование
• Удлинители лестниц для пожарных машин

Трехступенчатый телескопический цилиндр со сложенной длиной 600 мм может достичь полностью расширенного хода более чем 1700 мм — почти в три раза больше его длины во втянутом состоянии. Такой пространственной эффективности невозможно достичь с помощью обычного одноштокового цилиндра.

Снижение силы на разных этапах

Одно важное инженерное соображение: каждая последующая ступень телескопического цилиндра имеет меньший диаметр отверстия, чем предыдущая, что означает выходная сила уменьшается по мере дальнейшего расширения цилиндра . Проектировщики должны выбирать цилиндр с учетом наихудшего положения нагрузки, которое обычно происходит при полном выдвижении или близком к нему, когда сила минимальна.

Бесштоковые воздушные цилиндры

Бесштоковые пневматические цилиндры полностью исключают традиционный поршневой шток, вместо этого передавая движение поршня внешней каретке или скользя через прорезь или магнитную муфту. Этот дизайн удваивает эффективный ход при заданной длине установки по сравнению с обычными штоковыми цилиндрами, что делает их чрезвычайно ценными в условиях ограниченного пространства.

Бесштоковые цилиндры с механическими пазами

В механо-щелевой (или ленточной) конструкции корпус цилиндра имеет продольную прорезь. Через этот паз внутренний поршень соединен с внешней кареткой. Гибкая металлическая или пластиковая лента герметизирует паз с обеих сторон точки соединения, чтобы предотвратить утечку воздуха. Эти цилиндры выдерживают прямые боковые нагрузки и подходят для применений, требующих высокой точности управления.

Бесштоковые цилиндры с магнитной связью

В бесштоковых цилиндрах с магнитной связью используется герметичный внутренний поршень, оснащенный сильными постоянными магнитами. Внешняя каретка, оснащенная противоположными магнитами, следует за движением поршня через стенку цилиндра без каких-либо физических пазов. Эта полностью герметичная конструкция идеальна для чистые помещения, пищевые зоны и места для промывки поскольку нет отверстий для проникновения загрязнений или выхода смазочных материалов. Компромиссом является более низкая максимальная боковая нагрузка по сравнению с версиями с прорезями.

В чем превосходят бесштоковые цилиндры

• Линейные передаточные устройства в упаковочных и этикетировочных машинах
• Горизонтальные челночные системы в обрабатывающих центрах с ЧПУ
• Производство медицинского оборудования, где загрязнение является проблемой
• Портальные системы и многоосные платформы позиционирования

Стандартные бесштоковые цилиндры доступны с длиной хода от от 50 мм до более 10 000 мм . При очень длинных ходах рекомендуются противовращательные направляющие и центральные опоры для предотвращения провисания ствола и сноса каретки.

Роторные воздушные цилиндры

В то время как большинство пневматических цилиндров производят линейное движение, вращающиеся воздушные цилиндры преобразуют энергию сжатого воздуха в угловое (вращательное) движение. Их часто называют пневматическими поворотными приводами. Они отличаются от пневматических двигателей: вращающиеся цилиндры производят поворот с ограниченным углом (обычно 90 °, 180 ° или 270 °), а не непрерывное вращение.

Реечные поворотные приводы

В наиболее распространенной конструкции вращающегося цилиндра используются один или два линейных поршня, соединенных с реечной передачей, которая приводит в движение вал-шестерню. Воздух толкает поршень(и), рейка вращает шестерню, и крутящий момент передается на выходной вал. Конструкция с двумя стойками уравновешивает нагрузку и почти вдвое больше выходного крутящего момента для заданного размера отверстия. Углы поворота регулируются с помощью внешних упоров, обычно от 0° до 270°.

Поворотные приводы лопастного типа

В лопастных приводах используется лопасть (лопасть), прикрепленная к выходному валу внутри круглого корпуса. Давление воздуха на одной стороне лопасти вращает вал; воздух на противоположной стороне вращает его обратно. Однолопастные конструкции позволяют 280° вращения , тогда как двухлопастные конструкции ограничены примерно 100° но обеспечивают более высокий крутящий момент в более компактном корпусе.

Типичные применения

• Приведение в действие клапанов в технологических трубопроводах (четвертьоборотные шаровые краны, дроссельные заслонки)
• Индексирующие столы и поворотное позиционирование в автоматизации сборки
• Роботизированные лучезапястные и локтевые суставы
• Переворот деталей и ориентация на линиях переноса
• Приводы дверей и люков на промышленном оборудовании

Компактные и управляемые воздушные цилиндры

Компактные цилиндры с направляющими представляют собой специализированные варианты, которые решают две очень специфические задачи: чрезвычайно ограниченное пространство для установки и приложения, требующие от штока поршня сопротивления вращению или боковым нагрузкам без использования внешних направляющих систем.

Короткоходовые компактные цилиндры

Эти устройства, также называемые блинными цилиндрами или плоскими цилиндрами, имеют минимальную длину корпуса относительно внутреннего диаметра. Инсульты обычно ограничиваются от 1 мм до 50 мм . Их плоский профиль позволяет устанавливать их в ограниченном пространстве, где стандартный корпус цилиндра просто не поместится. Общие случаи использования включают прессование печатных плат, нанесение этикеток и микропозиционирование в полупроводниковом оборудовании.

Направляющие (двухштоковые) цилиндры

Направляющие цилиндры содержат два параллельных поршневых штока, соединенных с общей передней пластиной. Такая конфигурация предотвращает вращение штока и обеспечивает высокую устойчивость к моментным нагрузкам (смещенным силам). Направляющие цилиндры выдерживают боковые нагрузки. в 4-10 раз больше чем стандартный одноштоковый цилиндр того же диаметра, что устраняет необходимость в отдельной внешней линейной направляющей во многих случаях.

Цилиндры направляющих

Цилиндры узла скольжения интегрируют направляющую каретку непосредственно в корпус цилиндра. Каретка перемещается на линейных подшипниках или шариковых направляющих с рециркуляцией и обеспечивает плоскую монтажную поверхность для крепления инструментов или заготовок. Эти универсальные устройства значительно сокращают время проектирования и сборки в индивидуальных проектах автоматизации. Festo, SMC и Parker предлагают модульные направляющие со сменной длиной хода и конфигурацией подшипников.

Краткое сравнение типов пневмоцилиндров

Стили крепления цилиндров и их влияние на производительность

Независимо от типа цилиндра, конфигурация монтажа напрямую влияет на производительность, долговечность и управление нагрузкой. Цилиндры, соответствующие стандартам ISO 15552 и NFPA T3.6.7, имеют взаимозаменяемые монтажные интерфейсы, что упрощает замену у разных производителей.

• Крепление на ножке (MS1/MS2): Фиксированное базовое крепление; идеально подходит для линейного толкания/тяги с хорошо выровненными грузами. Несоосность передает изгибающее напряжение на шток и уплотнения.
• Фланцевое крепление (MF1/MF2): Передний или задний фланец крепится болтами непосредственно к плите машины. Отлично подходит для применения с жесткими линейными нагрузками.
• Крепление на шарнире (MP1/MP3): Позволяет цилиндру поворачиваться при движении груза по дуге. Широко используется в устройствах открывания дверей, рычажных механизмах и системах наклона. Для обеспечения полного шарнирного соединения со стороны стержня следует использовать вилку на конце стержня (MP5).
• Крепление цапфы (MT1/MT4): Позволяет корпусу цилиндра качаться в одной плоскости. Обычно используется в промышленных прессах и погрузочно-разгрузочных работах, где требуется поворотное движение.

Неправильный монтаж является одной из наиболее частых причин преждевременного выхода из строя уплотнения и задиров на штоке. Исследования ведущих производителей пневматических цилиндров показывают, что более 30% отказов цилиндров в полевых условиях связаны с несоосностью и неправильным монтажом, а не с дефектами материала или производства.

Ключевые характеристики, которые следует учитывать при выборе пневмоцилиндров

Выбор пневмоцилиндра выходит за рамки простого выбора типа. Необходимо оценить вместе несколько технических параметров, чтобы гарантировать надежную работу цилиндра в течение предполагаемого срока службы.

Диаметр отверстия и выходная сила

Выходное усилие определяется по формуле F = P × A, где P — давление питания, а A — эффективная площадь поршня. При стандартном давлении подачи 6 бар (87 фунтов на квадратный дюйм) Цилиндр диаметром 50 мм создает примерно 1178 Н при ходе выдвижения, а цилиндр диаметром 80 мм создает примерно 3016 Н. Размеры отверстий стандартизированы в соответствии с ISO 6432 и ISO 15552, чтобы упростить расчеты размеров и поиск поставщиков.

Длина хода и риск коробления

В цилиндрах с длинным ходом поршня под сжимающими нагрузками шток поршня может прогнуться (разрушение колонны), если диаметр штока слишком мал. Инженеры используют формулу столбца Эйлера для проверки пределов продольного изгиба, а большинство производителей предоставляют диаграммы хода нагрузки, которые автоматически включают коэффициент запаса прочности от 3:1 до 5:1 . Если стандартного диаметра стержня недостаточно, следует указать варианты стержня увеличенного размера или внешние направляющие системы.

Рабочая температура и материал уплотнения

Стандартные уплотнения из NBR (нитрилового каучука) рассчитаны на рабочие температуры от от -20°С до 80°С . При повышенных температурах до 200°C используются уплотнения из силикона или ПТФЭ. Для низкотемпературных сред (до -40°C) доступны специально разработанные полиуретановые или низкотемпературные нитриловые компаунды. На выбор материала уплотнения также влияет совместимость сред — например, если цилиндр используется в пищевой промышленности с регулярной промывкой едкими чистящими средствами, правильными спецификациями являются уплотнения из EPDM и корпуса из нержавеющей стали.

Амортизация в конце хода

На высоких скоростях цикла поршень, достигающий конца своего хода без амортизации, создает значительные механические воздействия, создавая шум и ускоряя износ внутренних компонентов. Регулируемые пневматические подушки улавливают небольшой объем воздуха ближе к концу хода, создавая постепенное замедление. Правильно отрегулированные подушки могут снизить силу удара за счет от 80% до 95% по сравнению с цилиндрами без демпфирования, работающими с той же скоростью и нагрузкой.

Факторы технического обслуживания, продлевающие срок службы пневмоцилиндров

Даже самый качественный пневматический цилиндр преждевременно выйдет из строя, если система, в которой он работает, не будет обслуживаться должным образом. Наиболее важными являются следующие факторы.

Качество воздуха и фильтрация

Влага и твердые частицы в сжатом воздухе являются основными причинами внутренней коррозии и разрушения уплотнений. ISO 8573-1 Качество воздуха класса 3 (частицы ≤ 5 мкм, точка росы под давлением ≤ 3°C, концентрация масла ≤ 1 мг/м³) обычно принимается в качестве минимального стандарта для пневматических цилиндров. Использование соответствующего блока FRL (фильтр-регулятор-лубрикатор) в каждом контуре продлевает срок службы уплотнений на два-три раза по сравнению с нефильтрованными и несмазанными системами.

Практика смазки

Современные пневматические цилиндры часто поставляются предварительно смазанными долговечной смазкой и предназначены для несмазываемых воздушных систем. Добавление смазки масляным туманом в такие цилиндры может фактически вымыть нанесенную на заводе смазку и сократить срок службы. Всегда уточняйте у производителя, рекомендуется или противопоказана пневматическая смазка для конкретной модели цилиндра.

Стеклоочиститель стержня и внешнее загрязнение

В пыльной или грязной среде мусор, прилипший к штоку поршня, втягивается обратно в цилиндр при каждом ходе втягивания, действуя как абразив на уплотнение штока. Грязесъемные уплотнения штока, также называемые скребковыми кольцами, являются стандартной функцией большинства промышленных цилиндров, но их следует проверять и заменять в рамках графика профилактического обслуживания, обычно каждый раз. от 6 до 12 месяцев в средах с высоким уровнем загрязнения.

Как выбрать правильный тип пневматического цилиндра

Выбор правильного типа цилиндра для конкретного применения включает в себя простой процесс принятия решения, основанный на функциональных требованиях.

1. Определите тип движения: Является ли требуемое движение линейным, угловым или вращательным? Линейное движение указывает на стандартные, бесштоковые, компактные или управляемые цилиндры. Угловое движение указывает на поворотные приводы.
2. Определите требования к силе: Рассчитайте нагрузку, включая трение, инерцию и любые компоненты вертикальной силы тяжести. Добавьте коэффициент запаса прочности не менее 1,5× и выберите диаметр отверстия из таблиц усилий производителя.
3. Установите ход: Если ход короткий и пространство ограничено, подойдет компактный цилиндр. Если ход длинный, но длина установки ограничена, следует рассмотреть возможность использования бесштокового или телескопического цилиндра.
4. Оцените условия окружающей среды: Экстремальные температуры, химическое воздействие, требования к промывке и уровень пыли — все это влияет на материал корпуса, выбор уплотнений и характеристики отделки поверхности.
5. Проверьте частоту циклов и рабочий цикл: Высокоскоростные и многоцикловые применения требуют надлежащей амортизации, соответствующего размера портов и потенциально термостойких уплотнительных компаундов, способных выдерживать тепло, выделяемое при многократном сжатии.
6. Оцените требования к боковой нагрузке и моментной нагрузке: Если цилиндр будет подвергаться внеосевым силам, необходим направляющий цилиндр или внешняя линейная направляющая для предотвращения преждевременного износа уплотнения штока и втулки.

Следуя этому структурированному подходу, большинство инженеров могут с уверенностью определить правильный тип и размер пневматического цилиндра с первой попытки, избегая дорогостоящих изменений конструкции и циклов замены на более поздних стадиях проекта.