Что делает воздушный цилиндр? Функции, типы и использование

Что делает воздушный цилиндр — краткий ответ

Ан воздушный цилиндр — также называемый пневматическим цилиндром — преобразует энергию сжатого воздуха в линейное механическое движение. Когда воздух под давлением поступает в одну сторону цилиндра, он толкает поршень вдоль герметичного отверстия, создавая контролируемое толкающее или тянущее усилие. Эта сила перемещает груз, зажимает деталь, поднимает заготовку, приводит в действие клапан или выполняет десятки других механических задач в промышленности, автомобилестроении и производстве.

С практической точки зрения: вы подаете воздух под заданным давлением, а цилиндр обеспечивает точный и повторяемый ход. Большинство стандартных пневмоцилиндров работают при давлении от 40 до 150 фунтов на квадратный дюйм (от 2,8 до 10,3 бар). , создавая силы, которые варьируются от нескольких ньютонов в миниатюрных цилиндрах до десятков тысяч ньютонов в промышленных установках большого диаметра. Например, цилиндр диаметром 100 мм при давлении 6 бар создает тягу примерно 4712 Н (около 1060 фунтов силы) — этого достаточно, чтобы запрессовать подшипник, отштамповать этикетку или продвинуть ворота конвейера менее чем за секунду.

Ключевым преимуществом перед гидравлическими или электрическими приводами является простота: воздух чистый, сжимаемый и доступен практически на каждом заводе. Пневматические приводы не требуют возвратных линий для жидкости, не выделяют тепла от двигателей и при правильном обслуживании могут работать миллионы раз без значительного износа.

Как работает воздушный цилиндр внутри

Понимание внутренней механики помогает при выборе, определении размера или устранении неисправностей пневматического цилиндра. Каждый пневмоцилиндр имеет одну и ту же фундаментальную архитектуру, даже если внешняя форма различается.

Основные компоненты

• Ствол (ствольная трубка): Цилиндрический корпус обычно изготавливается из алюминиевого сплава, нержавеющей стали или твердоанодированного алюминия. Диаметр отверстия напрямую определяет выходную силу.
• Поршень: Диск, который скользит внутри отверстия и уплотняется уплотнительными кольцами или манжетными уплотнениями для предотвращения обхода воздуха.
• Поршневой шток: К поршню прикреплен закаленный хромированный стальной стержень, передающий усилие на внешнюю нагрузку.
• Торцевые крышки (головки): Запечатайте оба конца цилиндра и закройте отверстия для входа/выхода воздуха.
• Уплотнение штока и грязесъемник: Предотвратите утечку воздуха вдоль стержня и не допускайте попадания загрязнений в отверстие.
• Регуляторы подушек: Дополнительные игольчатые клапаны, встроенные в торцевые крышки, замедляют поршень в конце хода, снижая ударный шум и износ.

Цикл движения

Когда электромагнитный клапан открывается, сжатый воздух поступает в отверстие на конце крышки цилиндра. Давление воздуха создается на поверхности поршня. Сила равна давлению, умноженному на эффективную площадь поршня (F = P × A). . Когда сила преодолевает трение и сопротивление нагрузки, поршень продвигается вперед, выдвигая шток. Для втягивания клапан переключается: воздух поступает в отверстие на конце штока, давление действует на кольцевую область поршня (полная площадь минус поперечное сечение штока), и шток оттягивается назад. Отработанный воздух выходит через глушитель для снижения шума.

Этот полный цикл — выдвижение и втягивание — может произойти за доли секунды. Высокоскоростные пневматические цилиндры, используемые на упаковочных линиях, обычно совершают от 5 до 10 полных циклов в секунду. В роботизированных ячейках для захвата и размещения стандартное время цикла составляет от 200 до 300 миллисекунд на один ход.

Типы воздушных баллонов и что делает каждый из них

Не все пневматические цилиндры выполняют одну и ту же функцию и подходят для любого применения. Конструкция цилиндра определяет, как он движется, какую силу прикладывает и в каком направлении действует. Ниже представлена ​​разбивка наиболее распространенных типов.

Одностороннего и двойного действия: что эффективнее?

Пневматические цилиндры одностороннего действия используют давление воздуха только в одном направлении; возвратная пружина возвращает стержень назад. Они потребляют примерно половину воздуха, чем агрегаты двойного действия, что делает их привлекательными для простых задач по зажиму, когда мощность требуется только для удлинения хода. Однако пружина занимает внутреннее пространство, уменьшает эффективную длину хода на 10–20%, а сила пружины воздействует на поршень при выдвижении, снижая результирующую выходную силу.

Пневматические цилиндры двойного действия используют сжатый воздух как для выдвижения, так и для втягивания. Это наиболее распространенный тип в промышленной автоматизации. , что составляет большинство установок пневматических приводов по всему миру. Они обеспечивают полностью контролируемую силу в обоих направлениях, позволяют точно регулировать скорость с помощью ограничителей потока на каждом порту и не имеют жесткости пружины, которую необходимо учитывать при расчете силы.

Где используются воздушные цилиндры — реальное применение

Пневматические цилиндры используются практически во всех отраслях производства и во многих областях повседневной инфраструктуры. Их скорость, чистота и экономическая эффективность делают их доминирующими линейными приводами в приложениях с легкими и средними усилиями.

Производственные и сборочные линии

Это крупнейшая область применения пневмоцилиндров. На автомобильных сборочных линиях пневматические приводы выполняют такие задачи, как перемещение деталей, зажим деталей во время сварки, прижатие дверных петель и позиционирование приспособлений для завинчивания. На одной станции сборки кузовов автомобилей может использоваться от 50 до 200 отдельных пневматических цилиндров, работающих в синхронизированной последовательности. Размеры отверстий обычно варьируются от 32 мм до 125 мм, ход поршня от 25 мм до 400 мм в зависимости от задачи.

Производство продуктов питания и напитков

Для пищевой промышленности требуются приводы, которые можно мыть едкими чистящими средствами и которые устойчивы к загрязнению. Пневматические цилиндры из нержавеющей стали с уплотнениями, соответствующими требованиям FDA, и без внешних смазочных отверстий являются стандартными для разливочных заводов, хлебопекарных линий и мясоперерабатывающих предприятий. Пневматические цилиндры здесь сортируют продукты на конвейерах, приводят в действие наполнительные сопла и управляют упаковочным оборудованием, совершая тысячи циклов в час в условиях высокой влажности.

Упаковочное оборудование

Картонажные машины, машины для наполнения и запечатывания коробок и устройства для сборки коробок в значительной степени полагаются на пневматические цилиндры для складывания клапанов, выталкивания продукта и формирования коробок. Высокая частота цикла — некоторые упаковочные линии работают со скоростью от 400 до 600 упаковок в минуту. — требуются приводы с практически мгновенным откликом и длительным сроком службы. Здесь особенно распространены компактные профильные цилиндры (серия ISO 21287), позволяющие экономить место в переполненных рамах машин.

Погрузка и транспортировка материалов

Пневматические цилиндры отклоняют продукцию на узлах конвейера, поднимают и опускают стопорные ворота и приводят в действие подъемники поддонов при складских операциях. Бесштоковые пневматические цилиндры особенно ценны в этих условиях, поскольку они обеспечивают длинный ход — до 6000 мм в некоторых моделях по каталогу — без увеличения пространства, связанного с удлиненным штоком.

Автомобильное сервисное оборудование

Автомобильные подъемники, шиномонтажные и тормозные станки используют пневматические приводы. Системы «воздух-над-маслом» в кузовных цехах сочетают в себе скорость пневматики с несжимаемостью гидравлики, используя воздушный цилиндр для подачи гидравлической жидкости для точных операций прессования, применяя до 20 тонн силы от источника воздуха в цехе.

Медицинское и лабораторное оборудование

Миниатюрные воздушные цилиндры с диаметром отверстия всего 6 мм используются в диагностическом оборудовании, роботах для обработки проб и больничных койках. В этих баллонах используется чистый сухой воздух или азот, что делает их совместимыми со стерильными средами. Их малый вес и работа без вибрации имеют решающее значение для прецизионного лабораторного оборудования.

Строительство и тяжелое оборудование

Хотя в тяжелой технике чаще используются гидравлические цилиндры из-за их более высокой плотности силы, пневматические цилиндры все еще используются в пневматических тормозных системах, приводах дверей в автобусах и поездах, а также в пневматических отбойных молотках. Телескопические пневмоцилиндры поднимают платформы самосвалов и управляют подъемниками платформ там, где не требуется точное промежуточное позиционирование.

Как рассчитать силу, создаваемую воздушным цилиндром

Для правильного определения размера пневматического цилиндра необходимо рассчитать два значения силы: силу выдвижения (действующую на всю поверхность поршня) и силу втягивания (действующую на кольцевую область поршня, которая уменьшается за счет поперечного сечения штока).

Расширить формулу силы

F_extend = P × (π/4) × D²

Где P — давление питания в Паскалях (1 бар = 100 000 Па), а D — диаметр отверстия в метрах.

Формула силы втягивания

F_retract = P × (π/4) × (D² − d²)

Где d – диаметр стержня. Для цилиндра диаметром 63 мм со штоком 20 мм, работающего под давлением 6 бар:

• Усилие расширения: 600 000 × (π/4) × 0,063² ≈ 1870 Н
• Сила втягивания: 600 000 × (π/4) × (0,063² − 0,020²) ≈ 1681 Н

На практике фактическая выходная сила на 10–20% ниже теоретической из-за трения уплотнения и противодавления в выхлопной линии. Инженеры обычно применяют коэффициент эффективности от 0,8 до 0,9 при расчете эффективной силы цилиндра для определения размера нагрузки.

Всегда выбирайте цилиндр, который обеспечивает теоретическое усилие как минимум на 25–50 % больше требуемой нагрузки для обеспечения надежного срабатывания во всем рабочем диапазоне давления и температуры.

Воздушный цилиндр против гидравлического цилиндра против электрического привода

Выбор между пневматическими, гидравлическими и электрическими линейными приводами зависит от требований к усилию, точности, рабочего цикла и условий окружающей среды. Каждая технология превосходна в различных сценариях.

Вывод: Пневматические цилиндры выигрывают по скорости, простоте и первоначальной стоимости. . Гидравлические цилиндры доминируют там, где требуется большая сила в компактном корпусе. Электрические приводы лидируют, когда важна точность позиционирования в середине хода или рекуперация энергии. Многие современные заводы используют все три технологии на одном предприятии, каждая из которых соответствует задаче, которую она лучше всего решает.

Ключевые характеристики, которые следует учитывать при выборе пневматического цилиндра

Покупка неподходящего цилиндра (даже немного меньшего размера) может привести к сбою в работе цикла, преждевременному износу уплотнений, простою машины и дорогостоящим производственным потерям. Понимание следующих спецификаций предотвращает большинство ошибок при выборе.

Диаметр отверстия

Диаметр цилиндра — это внутренний диаметр цилиндра, который является основным фактором, определяющим выходную силу. Стандартные размеры отверстий соответствуют сериям ISO 15552 или NFPA T3.6.7: 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250 и 320 мм являются обычным шагом. Увеличение диаметра отверстия вдвое увеличивает силу в четыре раза при том же давлении, поскольку сила масштабируется с увеличением площади (A = πD²/4).

Длина хода

Ход — это общее расстояние, которое проходит шток поршня между полностью втянутым и полностью выдвинутым положением. Более длинные ходы увеличивают риск коробления штока под сжимающими нагрузками. Большинство производителей предоставляют таблицы прочности колонны для определения максимально допустимой осевой нагрузки для данного хода и диаметра штока. Для хода, превышающего примерно в 10 раз диаметр отверстия, необходимы направляющие цилиндры или внешняя опора.

Диапазон рабочего давления

Большинство пневматических цилиндров рассчитаны на давление от 1 до 10 бар (от 14,5 до 145 фунтов на квадратный дюйм). Минимальное рабочее давление — обычно от 1 до 2 бар — имеет решающее значение: цилиндры, рассчитанные на работу при давлении 4 бар, могут остановиться или начать работать беспорядочно, если давление воздуха в системе падает во время пиковой нагрузки. Всегда проверяйте регулируемое минимальное давление подачи воздуха на входе в цилиндр, а не только на выходе компрессора.

Тип монтажа

Монтаж определяет, как цилиндр передает усилие на раму машины и как он справляется с несоосностью. К распространенным стилям монтажа относятся:

• Ножное крепление (FB): Крепится болтами к плоской поверхности; жесткий, подходит для чисто осевых нагрузок.
• Фланцевое крепление (FA/FF): Крепится болтами на крышке или конце стержня; очень жесткий, высокая грузоподъемность.
• Крепление на шарнире (CB/CA): Позволяет цилиндру поворачиваться; необходим, когда путь нагрузки имеет угловое перемещение.
• Цапфовое крепление (МТ): Повороты на центральном штифте; используется в прессах и рычажных механизмах.

Жесткие крепления (ноги и фланец) следует использовать только в том случае, если нагрузка идеально выровнена по оси стержня. Любое угловое смещение при жестком креплении создает боковую нагрузку на шток поршня, ускоряя износ уплотнения штока и потенциально со временем изгибая шток.

Амортизация

Когда поршень на высокой скорости достигает конца хода, он ударяется о торцевую крышку. Без амортизации это создает ударные нагрузки, которые повреждают цилиндр, раму машины и любой прикрепленный инструмент. Встроенные регуляторы амортизации удерживают воздушный карман перед поршнем ближе к концу хода, создавая эффект пневматической приборной панели. При скорости поршня выше 300 мм/с амортизацию следует считать стандартной. а не опционально.

Материал уплотнения и температурный диапазон

Стандартные уплотнения из NBR (нитрилового каучука) выдерживают температуру от -20°C до 80°C и подходят для большинства заводских условий. Для применения в условиях высоких температур (красочные печи, литейные цеха) требуются уплотнения из FKM (витона), рассчитанные на температуру 200°C. Низкотемпературные или безопасные для пищевых продуктов применения могут потребовать использования уплотнений из EPDM или компонентов с покрытием из ПТФЭ. Использование неправильного материала уплотнения является частой причиной преждевременного выхода цилиндра из строя.

Распространенные проблемы с воздушными цилиндрами и способы их устранения

Даже хорошо подобранные пневматические цилиндры со временем выходят из строя. Раннее распознавание симптомов существенно экономит время простоя и затраты на ремонт.

Цилиндр смещается или не удерживает положение

Если нагруженный цилиндр медленно смещается из выдвинутого положения при закрытии клапана, уплотнение поршня пропускает воздух через поверхность поршня. Это один из наиболее распространенных видов отказа пневмоцилиндров. . Устранение включает замену уплотнительных колец поршня или манжетных уплотнений. Прежде чем сделать это, проверьте, не работал ли цилиндр при давлении выше номинального, что ускоряет выдавливание уплотнения в зазоры.

Внешние утечки воздуха на стержне

Шипящий звук или видимый поток воздуха вокруг уплотнения штока указывают на износ уплотнения штока или повреждение поверхности штока. На хромированных стержнях могут образовываться коррозионные язвы или задиры, если уплотнение грязесъемника выходит из строя и допускает попадание загрязнений. Изъязвленный стержень быстро прорезает новые уплотнения — сам стержень необходимо осматривать и часто заменять. В суровых условиях рассмотрите возможность использования стержней из нержавеющей стали с керамическим покрытием для значительно более длительного срока службы.

Медленный или вялый ход

Если цилиндр завершает свой ход медленнее, чем ожидалось, проверьте в следующем порядке: давление питания в отверстии цилиндра (убедитесь в отсутствии падения давления в линиях), клапаны регулирования расхода (возможно, настроены слишком жестко), чашу воздушного фильтра (засоренный фильтр снижает поток) и отверстие цилиндра (внутренняя коррозия или загрязнение увеличивают трение уплотнения). Частично закрытое управление потоком выхлопных газов является единственной наиболее распространенной причиной медленного выдвижения в полевых установках.

Цилиндр не выдвигается под нагрузкой

Когда цилиндр свободно движется без нагрузки, но останавливается под нагрузкой, размер отверстия не соответствует требуемому усилию. Пересчитайте, используя F = P × A, учитывая трение и противодавление. Решение состоит в том, чтобы либо увеличить размер отверстия, либо увеличить давление подачи (в безопасных пределах), либо снизить требуемую нагрузку. Никогда просто не поднимайте давление выше номинального максимума цилиндра — это повредит уплотнения и может привести к разрыву торцевых крышек.

Преждевременный износ уплотнений

Уплотнения, которые требуют замены всего лишь через несколько месяцев эксплуатации (а не ожидаемые миллионы циклов), обычно выходят из строя по одной из трех причин: загрязненная подача воздуха (абразивные частицы забивают отверстие и уплотнения), боковая нагрузка на шток (из-за несоосности) или недостаточная смазка. Используйте блок FRL (фильтр-регулятор-лубрикатор) на каждой пневматической линии подачи. Для безмасляных цилиндров с уплотнениями из ПТФЭ убедитесь, что воздух чистый и сухой, а не добавляйте смазочный туман, который разрушает ПТФЭ.

Как продлить срок службы пневмоцилиндра

Ухоженный воздушный баллон в чистой промышленной среде должен прослужить долго. От 50 до 100 миллионов циклов прежде чем потребуется замена комплекта уплотнений. Достижение этого срока службы требует внимания ко всей пневматической цепи, а не только к самому цилиндру.

• Фильтруйте воздух до 5 микрон или лучше. Загрязнение твердыми частицами является основной причиной ускоренного износа отверстия и уплотнений. Стандартного фильтра размером 40 микрон недостаточно для защиты цилиндра.
• Отрегулируйте давление питания до минимально эффективного уровня. Работа при давлении 6 бар, когда достигается необходимое усилие при 4 бар, приводит к потере энергии и увеличению напряжения уплотнения. Каждый 1 бар избыточного давления значительно сокращает срок службы уплотнения.
• Установите амортизацию во всех высокоскоростных приложениях. Удар в конце хода без амортизации может вызвать мгновенную ударную силу, в 5–10 раз превышающую рабочую силу, что приведет к растрескиванию торцевых крышек и деформации поршней.
• Точно выровняйте шток цилиндра по пути нагрузки. Даже 1–2 градуса углового смещения создают постоянную боковую нагрузку, из-за которой уплотнения штока изнашиваются в 3–5 раз быстрее, чем при правильно выровненной установке.
• Используйте осушитель или доохладитель на выходе компрессора. Конденсат воды в воздухопроводе вызывает внутреннюю коррозию непокрытых алюминиевых отверстий и разрушает смазочные пленки на уплотнениях.
• Запланируйте периодическую проверку состояния штока. Визуально проверяйте стержень на наличие точечной коррозии, задиров или коррозии каждые три-шесть месяцев в нормальных условиях и ежемесячно в суровых условиях.

Стандарты ISO, регулирующие воздушные баллоны

Стандартизация гарантирует, что баллоны разных производителей взаимозаменяемы по размерам, что упрощает замену и закупку из нескольких источников. Основными стандартами являются:

• ИСО 15552: Основной международный стандарт для пневматических цилиндров круглого и квадратного профиля (ранее ISO 6431 и VDMA 24562). Указывает размеры отверстий, резьбу портов, монтажные размеры и резьбу на конце штока. Это стандарт для большинства средних и больших промышленных цилиндров во всем мире.
• ИСО 21287: Компактные цилиндры с ограниченным пространством для установки. Обычно встречается в упаковочном и пищевом оборудовании, где оболочки машин плотные.
• ИСО 6432: Миниатюрные цилиндры диаметром от 8 до 25 мм, используемые в приборостроении и легких сборочных работах.
• NFPA T3.6.7: Североамериканский стандарт (NFPA), регулирующий цилиндры с рулевыми тягами, распространенные в промышленном оборудовании Северной Америки. Размеры отверстий и схемы монтажа отличаются от ISO 15552, поэтому перед покупкой замены проверьте применимый стандарт.

Выбор пневмоцилиндра, соответствующего стандарту ISO, означает, что продукт любого производителя, соответствующий требованиям, будет легко заменен, что является значительным преимуществом в глобальных цепочках поставок, где предпочтительные бренды могут иметь длительные сроки поставки.