Конструкция пневмоцилиндров двустороннего и одностороннего действия

Сулига Сергей Васильевич, к.т.н.

Пневмоцилиндры являются самым распространённым видом пневматического привода. Работа пневмоцилиндра основана на воздействии силы сжатого воздуха на поршень пневмоцилиндра. Внутреннее пространство, образованное корпусом и двумя крышками и по геометрической форме являющееся цилиндром (отсюда и название устройства), делится поршнем на две полости. Поршень связан со штоком, который выходит наружу через переднюю или проходную крышку, и к штоку может крепиться перемещаемая нагрузка, обрабатывающий инструмент и т.п. Полость, через которую проходит шток, называют штоковой, а вторую – поршневой. Герметичность полостей достигается за счет уплотнений поршня и штока, причем последнее в зависимости от условий работы может снабжаться скребком, очищающим шток от посторонних субстанций. Если воздух может подаваться в обе полости, то получаем цилиндр двустороннего действия, а если только в одну – одностороннего.

Благодаря своей безопасности эти устройства широко применяются в промышленности и на транспорте. Пневмоцилиндры – это важный компонент пневмосистем, который позволяет автоматизировать производственные процессы и повышать эффективность работы предприятий. Важным преимуществом пневмоцилиндров является их простота и надежность в работе. Использование механизмов и систем, которые работают на пневмоцилиндрах, для преобразования энергии сжатого воздуха в линейное механическое перемещение, очень широко. При проектировании пневмоцилиндра основным расчетным параметром является развиваемое им усилие. Также при проектировании используются фитинги с регулировкой расхода для разных способов монтажа в случае, если регуляторы расхода требуется смонтировать отдельно, например, на щите для быстрого доступа оператора. Возможны разные схемы расположения дросселей с обратным клапаном при регулировании скорости хода штока пневмоцилиндра.

При проектировании ТО содержащих пневмопривод, для снижения затрат и повышения надежности и долговечности необходимо стремиться применять пневмоцилиндры, большое количество типов и типоразмеров которых предлагают отечественные и зарубежные производители в том числе такие, как «FESTO, «CAMOZZI», «TECO Pneumatic».

Разновидности пневмоцилиндров

На рынке представлены различные виды пневмоцилиндров, каждый из которых имеет свои особенности для разных применений:

Стандартные — наиболее распространенный тип, используемый в большинстве промышленных приложений.
Круглые — имеют круглую форму корпуса, обычно используются в компактных системах.
Компактные — меньшие по размеру, но обладают высокой производительностью.
Плоские — имеют плоскую форму, что делает их идеальными для установки в ограниченных пространствах.
Мультимонтажные — предназначены для специфических задач, где требуется расширенный набор сопособов монтажа.
Специальные — с зажимным модулем, с аналоговыми датчиком перемещения (следящие), тандем-цилиндры для большых усилий, многопозиционные.

Характеристики пневмоцилиндров

При выборе пневмоцилиндра важно учитывать следующие ключевые характеристики:

Диаметр поршня: Определяет полезную площадь, на которую давит сжатый воздух, а следовательно, усилие, которое он может создать.
Ход: Максимальное расстояние, на которое может двигаться поршень.
Тип действия: Одностороннее или двустороннее действие.
Демпфирование: Механизм, который снижает скорость поршня на концах его хода, предотвращая удары.
Магнит на поршне: Позволяет отслеживать положение поршня с помощью датчиков.
Резьба штока: Тип резьбы на конце штока, который используется для крепления различных насадок или механизмов.
Размеры: Общие габариты цилиндра, которые определяют, где и как он может быть установлен.

Условия эксплуатации

Для обеспечения долгой и надежной работы актуатора необходимо соблюдать условия эксплуатации, указанные производителем оборудования:

Давление: Рабочее давление сжатого воздуха должно соответствовать спецификациям цилиндра.
Температура: Цилиндры должны работать в допустимом температурном диапазоне, чтобы уплотнения и другие компоненты не изнашивались преждевременно.
Чистота воздуха: Использование фильтров для удаления частиц и влаги из сжатого воздуха может продлить срок службы цилиндра.

Материалы корпуса, штока, уплотнений

Выбор материалов для пневмоцилиндра играет ключевую роль в его производительности, а также долговечности:

Корпус: Обычно изготовлен из алюминия или стали. Алюминий легче и обладает хорошей коррозионной стойкостью, в то время как сталь более прочна и устойчива к высоким нагрузкам.
Шток: Чаще всего изготовлен из закаленной стали или нержавеющей стали, что обеспечивает высокую прочность и долговечность.
Уплотнения: Изготовлены из различных эластомеров, таких как нитрильный каучук или полиуретан, чтобы обеспечить герметичность и устойчивость к износу.

Сферы применения

Пневмоцилиндры нашли свое применение в множестве отраслей промышленности благодаря своей низкой стоимости, но при этом надежности, точности и эффективности:

Производство: Для автоматизации линий сборки, перемещения деталей и выполнения рутинных задач.
Пищевая промышленность: Для автоматизации процессов упаковки, порционирования и перемещения продуктов.
Автомобильная промышленность: В системах управления и тестирования компонентов.
Медицина: В специализированных устройствах для перемещения и дозирования жидкостей.

КОНСТРУКЦИЯ ОДНОСТОРОННЕГО ПНЕВМОПРИВОДА

Обратный ход пневмоцилиндра со штоком одностороннего действия осуществляется за счет встроенной пружины. Полость с пружиной сообщается с окружающей атмосферой через небольшое вентиляционное отверстие, как правило, не имеющее резьбу для установки штуцера, к которому подсоединяется трубопровод сжатого воздуха. Поэтому на условном обозначении это отверстие не показывается находящейся снаружи черточкой. Таким образом, к пневмоцилиндру одностороннего действия подходит один трубопровод, а к пневмоцилиндру двустороннего действия – два. Пневмоцилиндр одностороннего действия с пружиной в штоковой полости называют толкающим, а с пружиной в поршневой полости – тянущим.

Принцип работы пневмоцилиндров прост: при подаче сжатого воздуха в поршневую полость шток выдвигается (это называют прямым ходом), а при сбросе из нее воздуха шток втягивается (обратный ход) под действием пружины или за счет давления воздуха, подаваемого в штоковую полость. Понятно, что усилие, развиваемое цилиндром при выдвижении штока, больше, чем при втягивании. В пневмоцилиндре одностороннего действия это объясняется тем, что усилие пружины составляет примерно 8…20% от усилия на номинальном рабочем давлении 6 бар, а в пневмоцилиндре двустороннего действия – разницей площадей поршня со стороны поршневой и штоковой полостей. Более мощную пружину ставить не выгодно, поскольку тогда снижается усилие прямого хода.

Если же воздух под одинаковым давлением подать одновременно в обе полости цилиндра двустороннего действия, то за счет разницы площадей поршня шток выдвинется. Фактически таким подключением пневмоцилиндр двустороннего действия превращается в пневмоцилиндр одностороннего действия с мощной пневматической пружиной в штоковой полости. Поэтому выдвижение штока будет происходить медленно и с малым усилием, поскольку диаметр и, соответственно, площадь штока, на которую теперь действует давление, у пневмоцилиндров небольшие. Относительно тонкие штоки у пневмоцилиндров делают по следующей причине. Из-за низкого давления в пневматике нет больших усилий и нагрузок, но требуются высокие скорости перемещения. А стальной шток является самым тяжелым подвижным элементом цилиндра и для лучшей динамики его желательно облегчить. К тому же тонкий шток сокращает разницу между развиваемыми усилиями прямого и обратного хода. Это происходит благодаря креплению штока в двух опорах, расположенных на большом расстоянии друг от друга.

СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Для управления приводами двустороннего действия необходимо попеременно подавать давление из одной полости в другую. Для этого используются распределители функции 5/2 (с раздельным сбросом) или 4/2 (с объединённым сбросом). Движение в обратном направлении происходит под действием пружины, установленной на штоке цилиндра внутри его второй рабочей полости

Для односторонних пневмоцилиндров воздух подаётся только в одну полость, поэтому для них используются распределители функции 3/2.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ОДНОСТОРОННИХ ПНЕВМОЦИЛИНДРОВ

У пневмоцилиндров одностороннего действия есть серьезные достоинства. Во-первых, при работе они используют почти вдвое меньше энергии, чем пневмоцилиндры двустороннего действия; во-вторых, в аварийной ситуации, когда в системе пропадает давление, они занимают предсказуемую позицию. Последнее свойство особенно ценно для приводов арматуры, и там приводы одностороннего действия используются очень часто и не имеют ограничения по размерам.

Однако, наличие пружины влечет за собой определенные ограничения для пневмоцилиндров одностороннего действия, что не позволяет использовать их так же широко, как пневмоцилиндры двустороннего действия. Кроме того, что обратный ход под действием пружины происходит относительно медленно и с очень небольшим усилием, пружина занимает много места. Поэтому при равном рабочем ходе пневмоцилиндр одностороннего действия всегда длиннее, чем двустороннего. С ростом диаметра поршня возрастает сила трения в цилиндре, что заставляет ставить более мощную пружину, снова уменьшающую усилие прямого хода. Эти факторы ограничивают диапазон размеров пневмоцилиндров одностороннего действия – они серийно выпускаются с ходом не более 100 мм и диаметром поршня не более 100 мм.

ПНЕВМОЦИЛИНДРЫ С ПРОХОДНЫМ ШТОКОМ

Пневмоилиндры одно- и двустороннего действия могут иметь двусторонний шток, который иногда делают полым для подачи через него сжатого воздуха или вакуума. Например, пневмоцилиндры двустороннего действия с двусторонним полым штоком используются в оборудовании для выдува пластиковых бутылок. На основе цилиндров с полым штоком также удобно делать вакуумные захваты, подавая вакуум внутрь штока. Кроме того, у пневмоцилиндров с двусторонним штоком площадь поршня с обеих сторон одинакова, поэтому он развивает в обе стороны равные усилия и скорости, и его проще остановить в промежуточном положении. Главный же недостаток таких пневмоцилиндров – большой осевой габарит, почти в три раза превышающий полезный рабочий ход, и большая перемещаемая масса.

НАГРУЗКИ И УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИВОДОВ

Пневматический привод – это набор нескольких устройств, связанных между собой в одну систему, назначение которой является приведение в движение исполнительных механизмов станков и машин. Опорная втулка или подшипник в проходной крышке вместе с направляющим кольцом на поршне служит для защиты уплотнений цилиндра от боковых нагрузок на шток. Величина допустимой боковой нагрузки зависит от длины и материала втулки. Обычно ее делают из прочного полимера или металла. Оба варианта имеют достоинства и недостатки, которые нужно принимать во внимание при выборе пневмоцилиндра под конкретное применение.

Высокие скорости делают необходимой смазку. Раньше она подавалась распыленной в воздухе, но сейчас предпочтительнее консистентная смазка, которая закладывается при сборке пневмоцилиндра. При определенных условиях (высокая скорость, мойка штока) смазка заканчивается быстрее, а возобновить ее можно только разобрав пневмоцилиндр, и то, если он ремонтопригоден. Или вернувшись к распыленной смазке.