Ce un Cilindru de aer De fapt, într-o linie de producție
Un cilindru de aer transformă presiunea aerului comprimat în forță mecanică liniară, iar răspunsul scurt pentru oricine alege unul este următorul: dimensiunea alezajului determină puterea de ieșire, lungimea cursei determină distanța de deplasare, iar designul tijei determină capacitatea portantă sub sarcini laterale . Un cilindru pneumatic standard care funcționează cu aer de magazin de 6 bar (87 psi) cu un alezaj de 32 mm produce aproximativ 482 de newtoni de forță la cursa de împingere, ceea ce este suficient pentru a conduce majoritatea sarcinilor de prindere, ridicare și presare găsite pe echipamentele de ambalare și asamblare. Dacă un proces necesită mai multă forță fără a crește dimensiunea alezajului, singurele căi practice sunt creșterea presiunii în conductă (în limita nominală a cilindrului, de obicei 10 bari pentru unitățile standard) sau trecerea la un design de cilindru tandem care stivuiește două pistoane pe o tijă.
Cilindrii de acționare se împart în două mari familii mecanice: cilindrii cu acțiune simplă, care folosesc presiunea aerului pentru a se deplasa într-o direcție și un arc pentru a reveni și cilindrii cu acțiune dublă, care folosesc presiunea aerului atât pentru extindere, cât și pentru retragere. Modelele cu dublă acțiune reprezintă aproximativ 75% din instalațiile de cilindri pneumatici industriali, conform datelor distribuitorilor de componente din cataloagele Festo și SMC, în mare parte pentru că oferă forță și viteză controlate în ambele direcții și nu irosesc energie comprimând un arc de retur la fiecare ciclu.
Calcularea forței cilindrului: numerele care contează
Formula de forță pentru un cilindru pneumatic este simplă: Forța (N) = Presiune (bar) x Suprafață (cm²) x 10 . Aria pistonului este calculată din diametrul alezajului folosind formula standard a ariei cercului, π ori raza pătratului. Pentru cursa tijei (retracție), aria secțiunii transversale a tijei trebuie scăzută din aria totală a pistonului, motiv pentru care forța de retragere este întotdeauna mai mică decât forța de extensie pe un cilindru cu dublă acțiune, adesea cu 10% până la 15% în funcție de diametrul tijei.
| Diametrul alezajului | Zona pistonului | Forță la 6 bar | Aplicație tipică |
|---|---|---|---|
| 16 mm | 2,01 cm² | 120 N | Ejectia piesei mici, gating |
| 25 mm | 4,91 cm² | 295 N | Corpuri de prindere luminoase |
| 32 mm | 8,04 cm² | 482 N | Transportor se oprește, împinge plăci |
| 50 mm | 19,63 cm² | 1178 N | Fitting prin presare, formare tablă |
| 80 mm | 50,27 cm² | 3016 N | Prindere grea, scule de turnare sub presiune |
Este demn de remarcat faptul că forța teoretică din această formulă reprezintă puterea maximă disponibilă înainte de pierderile prin frecare. Forța furnizată în lumea reală este cu aproximativ 5% până la 10% mai mică datorită frecării etanșării, în special în cilindrii care au funcționat perioade îndelungate fără întreținere a lubrifierii.
Stilurile caroseriei cilindrului și când se potrivește fiecare
Cilindrii de aer sunt fabricați în mai multe configurații de caroserie, iar alegerea unui stil greșit este una dintre cele mai comune surse de uzură prematură a echipamentelor automate.
Cilindri cu corp rotund (ISO 6432).
Acestea sunt opțiunea cea mai compactă pentru o anumită dimensiune a alezajului și se montează cu ușurință în cadrele strânse ale mașinii utilizând suporturi de șneală sau flanșă. Acestea se găsesc în mod obișnuit în dimensiuni ale alezajului de la 8 mm la 25 mm și sunt favorizate pentru brațele de preluare și plasare, mecanisme de ejectoare mici și aplicații de poartă unde spațiul de-a lungul axei de acționare este limitat.
Corp profil (ISO 15552) Cilindri
Corpuri cu secțiune transversală pătrată sau dreptunghiulară cu fante de montare integrate de-a lungul tuturor celor patru laturi. Suprafețele plane și canelurile în T permit designerilor să fixeze senzori, suporturi și șinele de ghidare direct pe corpul cilindrului, fără dispozitive suplimentare. Acest stil domină în intervalul de alezaj de la 32 mm la 125 mm și este alegerea implicită pentru automatizarea industrială generală.
Cilindri ghidați (glisante).
Acestea combină un cilindru standard cu tije de ghidare liniare încorporate, de obicei doi arbori din oțel călit paralel cu tija principală. Tijele de ghidare absorb sarcinile laterale și cuplul care altfel s-ar îndoi sau s-ar uza tija și etanșarea cilindrului standard. Orice aplicație în care sarcina este aplicată decentrat față de linia centrală a tijei, cum ar fi un braț de împingere sau o prindere rotativă, ar trebui să utilizeze un cilindru ghidat mai degrabă decât un cilindru standard de tijă. , deoarece încărcarea laterală este cea mai mare cauză a defecțiunii premature a etanșării tijei.
Cilindri compacti
Unități cu profil plat cu cursă scurtă, concepute pentru operațiuni de strângere în care spațiul axial este limitat, cum ar fi pe mesele rotative cu mai multe stații. Lungimile cursei rareori depășesc 50 mm, dar suprafața plată de montare și lungimea totală redusă le fac ideale pentru instalațiile în care un cilindru standard pur și simplu nu se potrivește.
Stilurile de montare și compromisurile lor mecanice
Stilul de montare ales afectează nu doar instalarea, ci și stresul de îndoire pe care îl experimentează corpul cilindrului și tija în timpul funcționării.
- Montare cu picior : Înșurubat pe partea inferioară a corpului cilindrului, simplu și rigid, dar necesită ca traseul de sarcină să fie perfect aliniat pentru a evita momentele de încovoiere pe tubul corpului.
- Montare cu flanșă : Înșurubat la capac sau la capătul capului, foarte rigid pentru aplicații axiale de împingere/tragere, comun la echipamentele de presă și ștanțare.
- Montare trunnion : Un punct de pivotare permite cilindrului să se balanseze pe măsură ce se extinde, esențial pentru brațele de prindere și mecanismele de ridicare care se rotesc printr-un arc, mai degrabă decât să se deplaseze în linie dreaptă.
- Montare capul : O conexiune cu știft și furcă în partea din spate a cilindrului, frecvent asociată cu o știftă și la capătul tijei, permițând întregului cilindr să pivoteze în timpul cursei.
Suporturile cu toroane și șuruburi sunt singurele opțiuni care ar trebui utilizate atunci când calea de acționare nu este o linie dreaptă, deoarece suporturile rigide pe o sarcină pivotantă vor îndoi rapid tija pistonului.
Consum de aer: dimensionarea corectă a compresorului
Un factor trecut cu vederea atunci când adăugați cilindri la un sistem pneumatic existent este cererea totală de aer. Fiecare ciclu al unui cilindru consumă un volum de aer comprimat egal cu aria pistonului înmulțit cu lungimea cursei, dublat pentru cilindrii cu dublă acțiune, deoarece ambele camere umplu și evacuează fiecare ciclu.
De exemplu, un cilindru cu alezaj de 50 mm cu o cursă de 200 mm are un volum al pistonului de aproximativ 393 cm³ pe partea de extensie. Adăugați volumul din partea tijei (puțin mai puțin din cauza deplasării tijei, numiți-l 370 cm³) și un ciclu complet consumă aproximativ 763 cm³ de aer liber la presiunea atmosferică, înmulțit cu raportul de compresie. La 6 bari (7 bari absoluti), înseamnă aproximativ 5,3 litri de aer liber pe ciclu. O mașină care rulează acest cilindru la 20 de cicluri pe minut va consuma aproximativ 106 litri pe minut de aer liber doar pentru acel singur actuator , care este o sarcină semnificativă atunci când este înmulțită într-o mașină cu o duzină sau mai mulți cilindri.
| Dimensiunea alezajului | Cursa 100 mm | Cursa 200 mm | Cursa 300 mm |
|---|---|---|---|
| 25 mm | 26 l/min | 52 l/min | 78 l/min |
| 32 mm | 42 l/min | 84 l/min | 127 l/min |
| 50 mm | 53 l/min | 106 l/min | 159 l/min |
| 80 mm | 135 l/min | 271 l/min | 406 l/min |
Instalațiile subestimează de obicei dimensionarea compresorului atunci când adaugă noi celule de automatizare, deoarece calculează numai pe baza alezajului cilindrului, fără a lua în considerare rata ciclului. Un compresor care este subdimensionat pentru cererea totală face ca presiunea în conductă să scadă în timpul ciclului de vârf, ceea ce reduce direct puterea de ieșire a fiecărui cilindru de pe sistem simultan, determinând uneori tehnicienii să diagnosticheze greșit simptomul ca un actuator defect atunci când cauza reală este în amonte.
Amortizarea la sfârșitul cursei și de ce prelungește durata de viață
La sfârșitul fiecărei curse, pistonul decelerează lovind capacul de capăt, cu excepția cazului în care este prezentă o formă de amortizare. Cilindrii standard fără perne sunt limitate la viteze relativ scăzute ale pistonului, în general sub 0,3 metri pe secundă, înainte ca forțele de impact să înceapă să afecteze pistonul, capacele de capăt și hardware-ul de montare.
Amortizarea reglabilă folosește o supapă cu ac pentru a regla aerul evacuat în ultimii 10 până la 15 mm de cursă, încetinind pistonul înainte de a ajunge în contact cu capacul final. Această singură caracteristică poate prelungi semnificativ durata de viață a cilindrului, deoarece șocul mecanic repetat al unui opritor neamortizat contribuie major la uzura etanșării, slăbirea elementelor de fixare și eventuala fisurare a capacului turnat pe cilindrii cu corp de aluminiu.
Pentru aplicații care rulează peste 0,5 m/s sau pentru orice cilindru care transportă o masă de sarcină mai mare de câteva kilograme, perna de aer reglabilă ar trebui să fie considerată o cerință standard, mai degrabă decât o actualizare opțională . Barele de protecție din cauciuc oferă o alternativă mai ieftină pentru sarcini mai ușoare și viteze mai mici, absorbind impactul prin deformare elastică, mai degrabă decât prin accelerarea aerului, dar se uzează și necesită înlocuire periodică.
Selectarea materialelor pentru diferite medii de operare
Materialele corpului, tija și etanșarea unui cilindru de acţionare determină cât de bine supraviețuiește în afara unei podele curate, uscate și climatizate.
Cilindri standard cu corp din aluminiu
Aluminiul anodizat este implicit pentru utilizare generală în interior. Este ușor, rezistă la coroziunea suprafeței din cauza umidității normale și se mașinează cu ușurință pentru găurile de precizie necesare pentru a menține o etanșare bună. Nu este potrivit pentru medii cu substanțe chimice caustice de spălare sau expunere constantă la apă sărată fără acoperiri suplimentare.
Cilindri din oțel inoxidabil
Folosit în procesarea alimentelor, farmaceutice și aplicații marine, unde spălarea cu agenți de curățare clorurati sau expunerea la aerul sărat este de rutină. Cilindrii din inox costă mai mult, de obicei de 1,5 până la 2,5 ori mai mult decât prețul unei unități echivalente din aluminiu, dar evită coroziunea prin pitting care altfel ar necesita înlocuirea frecventă în aceste medii.
Compuși de etanșare
Garniturile din nitril (NBR) sunt standard pentru aerul general la temperaturi de la -20°C la 80°C. Pentru aplicații la temperaturi ridicate în apropierea cuptoarelor sau stațiilor de sudură, garniturile cu fluorocarbon (FKM/Viton) extind domeniul de utilizare până la aproximativ 150°C, dar costă considerabil mai mult. Pentru mașinile de calitate alimentară și farmaceutice, sunt necesari compuși de etanșare conformi cu FDA și ar trebui să fie specificați în mod explicit la comanda, deoarece sigiliile standard pot să nu îndeplinească cerințele de procesare sanitară.
Simptomele comune ale eșecului și cauzele lor fundamentale
Tehnicienii de teren se confruntă în mod repetat cu aceleași modele de defecțiuni pe cilindrii de acționare, iar recunoașterea lor rapidă economisește timp de nefuncționare semnificativ.
| Simptom | Cauza probabilă | Acțiune corectivă |
|---|---|---|
| AVC lentă sau lent | Tuburi subdimensionate, fitinguri restrictive sau presiune scăzută în conductă | Verificați presiunea de alimentare la orificiul cilindrului, diametrul tubului mărit |
| Scurgerea aerului de la capătul tijei | Garnitură de tijă uzată, adesea din cauza încărcării laterale sau a contaminării | Înlocuiți setul de etanșare, verificați dacă există înțepături ale tijei și sursa de încărcare laterală |
| Cilindrul se deplasează când aerul este oprit | Bypass-ul etanșării pistonului intern care permite transferul aerului între camere | Înlocuiți etanșarea pistonului, inspectați orificiul pentru înțepături |
| Buc puternic la sfârșitul cursei | Amortizare lipsă sau uzată, viteză excesivă | Reglați supapa cu ac pernă sau adăugați controlul debitului pe evacuare |
| Tija de piston îndoită | Încărcare laterală dincolo de limitele nominale, dezaliniere | Înlocuiți-l cu un cilindru ghidat sau corectați alinierea mecanică |
Cele mai multe defecțiuni premature ale cilindrului provin din două cauze fundamentale: încărcarea laterală a tijei de la montarea nealiniată și alimentarea cu aer contaminat care transportă umiditate sau particule în garnituri. O unitate de filtru-regulator-lubrefiere (FRL) întreținută în mod corespunzător în amonte de fiecare actuator abordează cea de-a doua cauză în mod direct, iar verificările de rutină a alinierii în timpul întreținerii preventive o abordează pe prima.
O listă de verificare practică pentru specificarea unui nou cilindru de acţionare
Atunci când specificați un nou cilindru de acţionare pneumatic pentru proiectarea sau modernizarea unei mașini, luați în considerare următoarele puncte pentru a evita cele mai frecvente greșeli de specificație.
- Calculați forța necesară la cea mai mică presiune așteptată în linie, nu la presiunea nominală, deoarece presiunea poate scădea în timpul cererii de vârf.
- Selectați dimensiunea alezajului cu o marjă de siguranță de cel puțin 25% peste cerința de forță minimă calculată.
- Confirmați că lungimea cursei ține cont de cursa mecanică completă plus orice distanță de amortizare la fiecare capăt.
- Alegeți un cilindru ghidat dacă orice sarcină laterală sau cuplu va fi aplicată tijei în timpul cursei.
- Potriviți materialul de etanșare și materialul corpului cu mediul ambiant, inclusiv temperatura, umiditatea și expunerea la substanțe chimice.
- Specificați tipul de amortizare pe baza vitezei așteptate a pistonului și a masei sarcinii.
- Confirmați că stilul de montare se potrivește cu traseul sarcinii, în linie dreaptă versus mișcare de pivotare.
- Adăugați consumul de aer al noului cilindru la cererea totală a sistemului și verificați capacitatea compresorului.
Urmând această secvență în ordine, mai degrabă decât să porniți de la un număr de piesă de catalog și să lucrați înapoi, este diferența dintre un actuator care funcționează fiabil ani de zile și unul care devine un articol de întreținere recurent în câteva luni de la instalare.
