Что такое пневматический цилиндр

Пневмоцилиндр: определение и назначение

Пневмоцилиндр работает как насос наоборот. Компрессор тратит электроэнергию, чтобы сжать воздух, а цилиндр отдаёт запасённую энергию механизму. Для этого воздух подают в одну из полостей корпуса, и давление сдвигает поршень.

Цилиндр решает простую задачу — перемещает нагрузку между 2 крайними положениями. Именно поэтому он так часто встречается на конвейерах, прессах, упаковочных машинах и сборочных линиях. Ход может быть коротким, в 10 мм, или длинным, в 2 000 мм: такой диапазон доступен, например, у стандартных цилиндров FVBC по ISO 15552.

Устройство и принцип работы пневмоцилиндра

Из чего состоит пневмоцилиндр

Классическая конструкция штокового пневмоцилиндра включает:

• корпус — трубу круглого сечения или алюминиевый профиль, внутри которого перемещается поршень;
• переднюю и заднюю крышки с отверстиями для подвода сжатого воздуха;
• поршень с уплотнениями, который делит корпус на 2 полости;
• шток — стальной стержень, передающий усилие наружу;
• направляющую втулку и уплотнение штока, которые держат шток по оси и не выпускают воздух из полости пневмоцилиндра;
• магнит на поршне, если нужен опрос положения;
• узел демпфирования, который тормозит поршень в конце хода.

У разных серий детали соединяются по-разному. Цилиндры LBC собраны на прочных стяжных шпильках. У цилиндров IA крышки завальцованы в корпус. Цилиндры FVBC имеет корпус из профиля с пазами для датчиков, к которому винтами крепятся крышки.

Уплотнения поршня и штока делают из полиуретана (TPU), NBR или PTFE. Материал подбирают в зависимости от окружающих условий, скорости и рабочей среды: от него зависит долговечность и ресурс пневмоцилиндра.

Как работает цилиндр двустороннего действия

1. Сжатый воздух подаётся в заднюю (поршневую) полость. Передняя (штоковая) полость в это время соединена с атмосферой.
2. Давление действует на всю площадь поршня, и шток выдвигается.
3. В конце хода поршень входит в зону демпфирования. Воздух из передней полости уходит через узкий канал, образуется воздушная подушка, и поршень замедляется.
4. Сжатый воздух подаётся в штоковую полость, а поршневая полость соединяется с атмосферой – шток цилиндра втягивается.

Развиваемое усилие на штоке при выдвижении равно произведению давления на площадь поршня. При втягивании площадь меньше на площадь сечения штока, поэтому усилие ниже. Пример из таблицы теоретических усилий SMARTA при 0,6 МПа: цилиндр Ø50 мм развивает усилие 1 178 Н на выдвижении и 989 Н на втягивании.

Как работает цилиндр одностороннего действия

Воздух подают только в одну полость. Обратный ход выполняет встроенная пружина. Такой цилиндр расходует меньше воздуха и требует одной линии подключения. Зато часть усилия уходит на сжатие пружины, а ход ограничен её размерами. Например, для серии FVBC цилиндры одностороннего действия имеют максимальный рабочий ход 75 мм.

Зачем нужно демпфирование

В конце хода поршень с нагрузкой имеет кинетическую энергию. Без дополнительного торможения он бьёт в крышку, что может привести к повреждению пневмоцилиндра и снижению его ресурса. Для снижения этого негативного эффекта используют демпфирование (торможение) в конце хода, которое может быть, как встроенным в цилиндр (механическое упругое или пневматическое), так и внешним (специальные буферы или гидравлические амортизаторы).

Регулируемое пневматическое демпфирование создаёт воздушную подушку, которая гасит энергию и смягчает удар. Настраивают его винтами в крышках: при закручивании винта демпфирование усиливается, при откручивании — ослабевает. Неправильно настроенное демпфирование может негативно влиять на работу пневмоцилиндра:

• Если демпфирование слишком слабое, то оно не гасит энергию эффективно, и всё равно происходит удар поршня в крышку;
• Если демпфирование слишком сильное, поршень будет отскакивать от крышки из-за воздушной пружины, и даже может не достигать конечного положения.

При больших перемещаемых массах ставят внешние гидравлические амортизаторы, например, серии AC/AD. Важно выбрать амортизатор, соответствующий нагрузке. Если амортизатор слишком мал, он не будет гасить энергию и может быть сломан. Если амортизатор рассчитан на слишком большую нагрузку, то пневмоцилиндр не сможет его продавить и не достигнет конечного положения.

Скорость перемещения штока задают с помощью дросселей с обратным клапаном. В зависимости от выполняемой цилиндром функции дроссели можно ставить в обе полости цилиндра или только в одну полость. Для настройки скорости дроссели сначала полностью закрывают, закручивая регулировочный винт, а затем начинают постепенно открывать, пока не будет достигнута нужная скорость.

Если необходимо наоборот увеличить скорость перемещения, используют клапаны быстрого выхлопа, например, серии KKP. Они устанавливаются непосредственно на пневмоцилиндр и позволяют выводить сжатый воздух из полостей пневмоцилиндра сразу в атмосферу, минуя длинные пневмолинии и распределители.

Основные виды пневмоцилиндров

Пневмоцилиндры различают по принципу действия, конструкции, наличию штока, форме корпуса и специальным функциям. В таблице — основные виды пневмоцилиндров из каталога SMARTA.

Отдельную линейку продукции составляют специальные цилиндры для конкретных применений: для выдувных машин (FVBCD), для обстукивания бункеров (D), пневмоцилиндр-дозатор DNTB, а также цилиндры TBC по ГОСТ 15608-81 для замены на отечественном оборудовании.

Стандарты ISO: зачем они нужны

Стандарт ISO фиксирует ряд размеров для пневмоцилиндра: диаметр поршня, резьбу штока, расстояние между крышками, расположение монтажных отверстий в крышке. Благодаря этому пневмоцилиндры, соответствующие одному стандарту, являются взаимозаменяемыми. При необходимости замены пневмоцилиндра и переходе на другую серию нет необходимости в переделке машины.

В каталоге SMARTA представлены 3 основных стандарта:

• ISO 6432 — малые круглые цилиндры Ø 8…25 мм серии IA/IAC, а также нержавеющие IA…-CR Ø 16…25 мм;
• ISO 21287 — компактные цилиндры SF и ADNB;
• ISO 15552 — профильные FVBC Ø 32…100 мм и EVBC Ø 32…125 мм, цилиндры со шпильками LBC Ø 125…250 мм и DNGB Ø320 и 400 мм, нержавеющие со шпильками DNGB-CR Ø 32…125 мм.

Специальные исполнения

Стандартный пневмоцилиндр может иметь дополнительные опции — специальный шток и специальная резьба штока, удлинённый шток и удлинённая резьба штока, жёсткий скребок в передней крышке для защиты от пыли, встроенный датчик перемещения с аналоговым выходом, распределитель на корпусе цилиндра, уплотнения и смазка для высокой температуры окружающей среды до 150˚С.

Штоковые и бесштоковые цилиндры

У штокового цилиндра усилие передаётся через шток, который перемещается вместе с поршнем. При выдвижении шток имеет длину почти равную корпусу цилиндра, поэтому общая длина с выдвинутым штоком почти в 2 раза больше величины рабочего хода.

Бесштоковый привод передаёт усилие через каретку, которая перемещается вдоль корпуса. Таким образом габаритные размеры бесштокового привода незначительно превышают величину рабочего хода. Это позволяет устанавливать бесштоковые приводы в местах с ограниченным монтажным пространством.

Бесштоковые приводы имеют два варианта соединения каретки с поршнем:

• Магнитная связь – на поршне установлены магниты, которые через корпус воздействуют на каретку, удерживая её рядом с поршнем. Это позволяет обеспечить герметичность корпуса привода, что в свою очередь обеспечивает отсутствие утечек сжатого воздуха и защиту от попадания загрязнений внутрь привода. Такая конструкция, например, у привода ESW;
• Механическая связь – поршень и каретка жёстко соединены между собой специальной металлической деталью. Такая конструкция обеспечивает высокую нагрузочную способность привода. Приводы такого типа могут иметь различные варианты направляющей (направляющая скольжения или качения), что позволяет использовать приводы в широком спектре различных задач. Приводы серии DGCB могут изготавливаться с обоими вариантами направляющей, а также в виде базового привода без каретки и направляющей.

Где применяют пневматические цилиндры

Типичным применением для пневматического цилиндра является постоянно повторяющееся перемещение между двумя конечными положениями. Примерами таких задач могут быть:

• сборочные линии — перемещение, прижим и фиксация заготовок и деталей;
• упаковка — подача и сортировка изделий, формирование упаковки;
• конвейерные линии — сортировка изделий по различным линиям;
• прессование и подъём тяжёлых грузов;
• пищевое производство — перемещение и заполнение тары, запаковка и укупорка;
• сыпучие продукты — обстукивание трубопроводов и бункеров, сила удара регулируется давлением до 10 бар;
• дозирование — отмеривание порций материала специальными цилиндрами-дозаторами.

Перед использованием пневмоцилиндров в конкретном применении важно определить условия эксплуатации:

• Стандартным диапазоном рабочих температур для пневматических компонентов является -20…+80 °С. Для эксплуатации за пределами этого диапазона необходимо использовать специальные варианты уплотнений и смазки (например, цилиндры LBC или DNTB имеют исполнение до +150 °С).
• В условиях внешнего загрязнения необходимо обеспечивать защиту от попадания частиц загрязнения внутрь пневмоцилиндра. У серии FVBC есть специальные исполнения с жёстким скребком для очистки штока или защитными гофрами, которые препятствуют попаданию грязи на шток.
• Если окружающая среда является коррозионной, или оборудование подвергается регулярной мойке, требуется исполнение всех элементов конструкции цилиндров из нержавеющей стали. Этим требованиям соответствуют серии IA-…CR и DNGB-CR.

Преимущества и ограничения пневмоцилиндров

Преимущества

• Высокое развиваемое усилие, которое может сочетаться с компактными размерами.
• Высокая скорость перемещения обеспечивает высокое быстродействие оборудования заказчика.
• Простая конструкция – большинство пневмоцилиндров имеют разборную конструкцию, позволяющую проводить обслуживать цилиндры и заменять изношенные уплотнения.
• Длительное удержание усилия без дополнительных затрат энергии, например, в задачах прижима.
• Широкая номенклатура размеров – номенклатура пневмоцилиндров «СМАРТ Автоматизации» включает в себя Ø от 8 до 600 мм.
• Гибкий монтаж: широкая номенклатура монтажных принадлежностей включает в себя различные фланцы, монтажные лапы, поворотные цапфы, наконечники штока различных исполнений и т.д.

Ограничения и как с ними работать

• Боковая нагрузка на шток: цилиндр рассчитан на большое осевое усилие, но имеет ограничения по воспринимаемым боковым нагрузкам по мере выдвижения штока. Решение — внешние направляющие серии DH или цилиндры со встроенными направляющими, например, серии SG.
• Промежуточные позиции: воздух - это сжимаемая среда, поэтому пневматические приводы невозможно точно остановить в промежуточной позиции с помощью обычного распределителя. Если требуются промежуточные положения, то можно использовать многопозиционный пневмоцилиндр или фиксатор штока типа KP.
• Работа с рывками на малых скоростях из-за наличия трения внутри пневмоцилиндра. Решение – использование специальных смазок и изменение конструкции для снижения трения.
• Длинный ход: при большой длине рабочего хода шток прогибается под собственным весом. Это может существенно сократить ресурс. Такие цилиндры, как правило, устанавливаются вертикально штоком вниз или с использованием дополнительных опор или направляющих. Также для больших ходов рекомендуется использовать бесштоковые приводы, которые такой проблемы не имеют. Вверх или вниз помогает дополнительная опора штока или переход на бесштоковый привод.

Ключевые параметры при выборе цилиндра

Диаметр поршня и усилие

Диаметр выбирают по требуемому усилию с запасом. Каталог SMARTA рекомендует коэффициент запаса: 0,7 — для статики и медленного движения, 0,5 — при скорости 50…500 мм/с, 0,3 — при скорости выше 500 мм/с. Нужно учитывать и колебания давления сжатого воздуха: если давление в сети падает с 0,6 до 0,5 МПа, усилие падает почти на 17%. Значения развиваемого усилия в зависимости от диаметра можно найти в каталоге СМАРТ Автоматизации для пневматических приводов.

Если расчётное значение диаметра поршня получается большим, а пространство для монтажа ограничено, то можно использовать тандем-цилиндр: его конструкция подразумевает наличие 2 поршней, что позволяет при том же диаметре поршня увеличить усилие на штоке почти в 2 раза.

Рабочий ход

При выборе рабочего хода необходимо учитывать, что в конечном положении поршень цилиндра упирается в крышку, и усилие на штоке отсутствует. Если в конце хода требуется сохранение усилия, рабочий ход необходимо брать с запасом.

Рекомендуется в первую очередь выбирать пневмоцилиндры со стандартными ходами. Это позволяет снизить стоимость цилиндра и обеспечить короткие сроки поставки, поскольку такие цилиндры изготавливаются большими партиями и как правило поддерживаются на складе.

Давление и расход воздуха

Как правило, у большинства серий пневмоцилиндров рабочее давление находится в диапазоне 0,1…1,0 МПа. Однако, некоторые серии имеют дополнительные ограничения. Например, бесштоковые приводы серии ESW имеют диапазон рабочего давления 0,15…0,7 МПа, а у цилиндров одностороннего действия часть давления уходит на преодоление сопротивления пружины.

Расход сжатого воздуха зависит от диаметра, рабочего ходом и числа циклов перемещения. Чем выше эти значения, тем больше сжатого воздуха расходуется. Для снижения расхода есть следующие рекомендации:

• Рекомендуется внимательно подходить к выбору диаметра цилиндра и не выбирать его с избыточным запасом, так как это существенно увеличивает внутренний объём.
• Пневматические линии должны быть максимально сокращены там, где это возможно, поскольку шланги также представляют из себя дополнительный объём, который заполняется сжатым воздухом при каждом перемещении.
• Цилиндры одностороннего действия требуют заполнения только одной полости, их использование можно рассматривать там, где нет требований к быстродействию.

Скорость и демпфирование

Скорость определяет тип демпфирования. Для лёгких нагрузок хватает упругих демпфирующих колец, установленных внутри пневмоцилиндра. Для средних нагрузок — регулируемое пневматическое демпфирование, которое при правильной настройке эффективно гасит энергию удара в крайних положениях. Для больших нагрузок и быстрых перемещений рекомендуется использовать внешние гидравлические амортизаторы.

Крепление, датчики и рабочая среда

Тип крепления пневмоцилиндра также определяет какую серию лучше выбрать. Например, пневмоцилиндры серии IA имеют монтажную резьбу на передней и задней крышке, а цилиндры серии FVBC имеют широчайшую номенклатуру монтажных принадлежностей.

Если требуется определение положения поршня пневмоцилиндра, необходимо обязательно выбирать цилиндр с магнитом на поршне. Также необходимо учитывать тип крепления датчиков. Например, в серии FVBC датчики устанавливаются в специальный паз на корпусе и не требуют дополнительных принадлежностей.

Необходимо обязательно проверять условия эксплуатации. Если есть специальные требования к рабочей температуре, воздействие грязи/пыли или жидкостей на пневмоцилиндр, агрессивная рабочая среда – необходимо проверить какая из серий пневмоцилиндров подойдёт для этих условий эксплуатации.

Монтаж без ошибок

Перед установкой цилиндр осматривают на повреждения после транспортировки. Из пневматических каналов удалят заглушки и убеждаются в отсутствии в них посторонних предметов.

При установке монтажных принадлежностей, например, вилкообразных головок, шток должен находиться во втянутом состоянии, его защищают от вращения удерживая за специальные лыски.

Ось штока должна совпадать с направлением перемещения, так как перекос повышает нагрузку на уплотнения и подшипник. Это может привести к их быстрому износу и выходу пневмоцилиндра из строя.