Ghid de proiectare a cilindrului pneumatic: alezaj, cursă, montare, amortizare și selecție

Ce decide cu adevărat designul cilindrului pneumatic

Un constructor de mașini care comandă un cilindru pneumatic începe de obicei cu un număr: masa sarcinii pe care trebuie să o miște cilindrul. Dar designul cilindrului în sine - alezajul, familia de construcție, montarea, amortizarea și sistemul de etanșare - decide dacă acea sarcină se mișcă fiabil timp de zece milioane de cicluri sau eșuează în primul an. Designul bun al cilindrului pneumatic nu este o singură formulă; este un lanț de decizii care trebuie să rămână în concordanță cu aplicarea.

Răspunsul direct: proiectarea cilindrului pneumatic este potrivirea sistematică a diametrului alezajului, lungimea cursei, tipul de construcție, montarea, materialul de amortizare și etanșare la sarcină, presiunea aerului disponibil, timpul de ciclu necesar și mediul de lucru. Odată ce aceste șase valori se potrivesc cu aplicația, orice altceva - diagrame de forță, liste de accesorii, plasarea senzorilor - devine lucru de detaliu.

Aceasta este aceeași logică de design ca CKT Pneumatic se aplică fiecărei serii de cilindri pe care le producem și le testăm intern. Îndrumările de mai jos sunt scrise din acel punct de vedere al ingineriei, cu numerele și compromisurile care contează pe o planșă de desen adevărată.

Începeți cu sarcina: calculul dimensiunii alezajului și al forței

Fiecare proiect de cilindru începe cu cerința de forță. Un cilindru cu dublă acțiune generează forță prin aplicarea de aer comprimat în zona pistonului, deci forța teoretică este simplă: F = P × A, unde P este presiunea manometrică în pascali și A este aria efectivă a pistonului în metri pătrați. Pentru cursa extinsă, A = (π/4) × D².

Un exemplu funcțional pentru ancorarea numerelor

Luați în considerare un cilindru cu alezaj de 63 mm furnizat la 0,6 MPa. Aria pistonului este (π/4) × (0,063 m)² = 0,00312 m². Înmulțirea cu 600.000 Pa dă 1.870 N forță de extindere teoretică . Deoarece etanșările, garnitura tijei și pierderile de presiune din circuit absorb energie, forța practică este în mod normal de 75–90% din valoarea teoretică, astfel încât proiectantul se poate baza pe aproximativ 1.400–1.680 N pentru funcționarea continuă. Același ordin de mărime apare în diagramele de forță din ghidul Power & Motion „Factori de proiectare a cilindrilor pneumatici” și datele de selecție utilizate în industrie.

Forța de retragere nu este niciodată aceeași cu forța de extindere

La cursa de întoarcere tija ocupă o parte din alezaj, astfel încât aria efectivă este mai mică. Un alezaj de 63 mm cu o tijă de 20 mm are o zonă de retragere de (π/4) × (0,063² − 0,020²) = 0,00281 m², care la 0,6 MPa produce doar 1.685 N. Dacă cursa de retur suportă sarcina mai mare, dimensionați alezajul din carcasa de retragere obișnuită ca suprafață de retragere obișnuită să se arate în sus viteza de retur și uzura prematură a etanșării tijei.

După calcularea alezajului ideal, adăugați o marjă de proiectare. Un factor de siguranță de 1,25–1,5 peste forța teoretică este standard pentru aplicațiile dinamice ; marginea absoarbe fluctuațiile de presiune, uzura etanșării și efectele vitezei care apar la mașinile reale.

Alegerea familiei de construcții care se potrivește locului de muncă

Construcția unui cilindru - modul în care tubul, capacele de capăt și tija sunt ținute împreună - definește intervalul de alezaj pe care îl poate acoperi, cât de ușor este de reparat și cât de multă sarcină laterală poate tolera. Pentru o vedere practică a părților interne, o privire mai atentă asupra anatomiei cilindrilor pneumatici explică rolul tubului, capacului, capului, pistonului și etanșărilor. Cele trei familii care domină designul industrial au fiecare o logică distinctă.

Cilindri cu tirant: implicit industrial

Cilindrii de tirantă fixează capacele de capăt cu șuruburi lungi care se desfășoară pe toată lungimea corpului. Acestea acoperă cea mai largă gamă de alezaj, de obicei 32–320 mm, pot fi dezasamblate pentru înlocuirea etanșării și tolerează cele mai mari sarcini de tracțiune. Cilindri cu tirant seria SC urmati aceasta constructie, si ramane cea mai specificata familie din catalogul nostru deoarece este usor de montat, usor de reparat si simplu de asortat cu accesoriile ISO.

Furnizori standard de cilindri din seria SC (Tie Rod Tip), OEM/ODM Factory - Zhejiang CKT Pneumatic este un furnizor de cilindri standard din seria SC cu ridicata din China (Tie Rod Tip) și o fabrică OEM/ODM, 1. Garnitura pistonului adoptă o... Vizualizare produs →

Cilindri cu corp rotund: compacti și atenți la costuri

Cilindrii cu corp rotund, de obicei alezaj de 8–25 mm, folosesc un tub trasat sau rulat cu capace filetate. Sunt ușoare, ieftine și ideale pentru mișcări cu cursă scurtă la mașini mici. Compensația este o capacitate de încărcare laterală mai mică și o amortizare reglabilă mică sau deloc, așa că ar trebui rezervate pentru sarcini curate, de mișcare axială.

Cilindri cu profil: construiți pentru mașinile moderne cu senzori grei

Cilindrii cu profil folosesc un corp din aluminiu extrudat cu porturi de aer integrate și fante pentru senzori. Avantajul lor principal de design este integrarea: întrerupătoarele magnetice se fixează în fante, supapele pot fi așezate direct pe corp, iar suprafețele plane fac montarea mașinii mult mai curată decât în ​​cazul tuburilor rotunde. Acestea sunt implicite în liniile moderne de asamblare și ambalare în care senzorii, colectoarele și dispozitivele de protecție se atașează la actuatorul însuși.

Lungimea cursei, viteza și timpul ciclului

Setați cursa cu margini, nu cu cursa exactă

Cursa nominală trebuie să fie egală cu cursa necesară plus o marjă la ambele capete, în mod normal 5-10 mm per capăt. În aplicațiile verticale, adăugați și compresia completă a pernei sau a barei de protecție. Dacă pistonul ajunge la capătul capacului la sfârșitul fiecărei curse, cilindrul se va uza mult mai repede decât sugerează orice durată de viață din catalog. O cursă care este cu 10 mm prea scurtă poate transforma un design cu 10 milioane de cicluri într-un articol de reparare de 200.000 de cicluri.

Viteza depinde de întregul circuit, nu numai de cilindru

Viteza cilindrului este stabilită în comun de alezajul, coeficientul de curgere al supapei, dimensiunea orificiului și linia de alimentare. Un circuit bine echilibrat rulează un cilindru standard la aproximativ 0,1–0,6 m/s. După cum se menționează în ghidul designerului Fluid Power World, este de așteptat ca un piston etanșat cu cupă U să funcționeze la viteze de peste 20 inchi/sec – aproximativ 0,5 m/s – fără frecare excesivă sau probleme de lubrifiere. Dacă ținta este de 1 m/s sau mai mare, supapa trebuie mărită și orificiul reproiectat împreună cu cilindrul; cilindrul singur nu poate crea viteza.

Timpul ciclului este estimat printr-o procedură simplă:

1. Definiți cursa și adăugați marginea cursei.
2. Setați viteza medie pentru direcțiile de extindere și retragere.
3. Calculați timpul pe direcție ca cursă împărțită la viteză.
4. Adăugați timpul de așteptare și timpul de răspuns al supapei pentru a obține timpul complet al ciclului.

Ca exemplu concret, o cursă de 300 mm la 0,5 m/s durează 0,6 s în fiecare direcție; cu 0,2 s de timp, ciclul complet de extindere-retragere este de aproximativ 1,4 s, ceea ce corespunde la aproximativ 43 de cicluri/min. Dacă mașina necesită 60 de cicluri/min, fie viteza trebuie să crească la aproximativ 0,6 m/s în fiecare sens, fie cursa trebuie să se micșoreze - și ambele modificări afectează dimensionarea supapei, amortizarea și rigiditatea de montare.

Stiluri de montare și costul nealinierii

Patru familii de montare, patru comportamente de aliniere

• Suporturi pentru picioare sunt cele mai simple și mai ieftine, dar corpul se poate flexa sub sarcină, așa că alinierea depinde în întregime de cadrul mașinii.
• Suporturi cu flanșă (cap sau spate) sunt rigide și potrivite pentru aplicații cu forță mare în care corpul cilindrului nu trebuie să se miște.
• Se montează șurubul permite cilindrului să se balanseze într-un singur plan, ceea ce este esențial atunci când tija se deplasează de-a lungul unui arc printr-o legătură.
• Suporturi trunnion (centru sau spate) susțin caroseria pe ambele părți și sunt cea mai bună alegere pentru cilindrii grei care au nevoie de un pivot controlat.

Sarcinile laterale sunt cel mai frecvent motiv pentru care un cilindru eșuează

Când linia de tracțiune nu este de-a lungul liniei centrale a tijei, tija și rulmentul frontal trebuie să absoarbă un moment de încovoiere. Chiar și o forță laterală egală cu doar câteva procente din tracțiunea nominală va scurta în mod măsurabil durata de viață a rulmentului și a etanșării. Acesta este motivul pentru care atât liniile directoare de selecție ale Machine Design, cât și factorii de proiectare a cilindrului Power & Motion insistă să mențină împingerea cilindrului cât mai aproape posibil de linia centrală a tijei pistonului.

Când geometria forțează un decalaj, răspunsul corect este un design ghidat - un cilindru cu mai multe axe, un cilindru de glisare sau un cilindru compact cu o tijă de ghidare - în loc să alegeți pur și simplu un cilindru standard mai mare. O gaură mai mare creează mai multă forță, dar nu face nimic pentru a repara un moment de încovoiere.

Design compact al cilindrului pentru spații înguste

Când plicul mașinii este fix, cilindrii compacti sunt răspunsul standard. Acestea urmează aceeași logică de forță ca cilindrii de dimensiune completă, dar ambalează pistonul și tija într-un corp scurt, de obicei construit conform ISO 21287. Principalul compromis de proiectare este cursa: un corp foarte scurt nu poate ghida o tijă lungă fără suport suplimentar pentru rulmenți, așa că majoritatea modelelor compacte funcționează cel mai bine la curse sub aproximativ 100-150 mm.

Unde cilindrii compacti își câștigă spațiul

Prinderea, indexarea, alimentarea și ejectarea pieselor sunt toate lucrări cu cursă scurtă, cu ciclu înalt. Înlocuirea unui cilindru cu tirant cu un corp compact poate economisi 30–50 mm pe axă; pe o mașină cu șase sau opt axe, această salvare modifică întregul cadru și aspectul de protecție. Corpul compact reduce, de asemenea, masa în mișcare, ceea ce scade energia cinetică la sfârșitul cursei și permite cicluri mai rapide cu aceeași supapă.

Păstrați funcția de ghidare separată de funcția de forță

Deoarece corpul compact oferă suport limitat pentru tijă, nu vă așteptați niciodată ca un cilindru compact să absoarbă momentele de încovoiere. Pentru mișcarea axială pură, un corp simplu compact este perfect adecvat - Cilindri compacti și subțiri seria CQ2 gestionați bine sarcinile de prindere și împingere. Ori de câte ori proiectul generează o sarcină în afara axei sau moment, treceți la o variantă ghidată, cum ar fi CQM cu tijă de ghidare, sau la o familie de cilindri de glisare care poartă propriul ghidaj liniar.

Furnizori de cilindri subțiri din seria CQ2, fabrică OEM/ODM - Zhejiang CKT Pneumatic Co. CKT Pneumatic este un furnizor en-gros de cilindri subțiri din seria CQ2 din China și o fabrică OEM/ODM, 1. Comutatorul magnetic nu iese în afară: prev... Vizualizare produs →

Design cilindru fără tijă pentru curse lungi

Cilindrii fără tijă rezolvă o problemă clasică de proiectare: deplasarea unei sarcini pe o cursă lungă fără ca tija să iasă din mașină. Deoarece căruciorul se deplasează împreună cu pistonul, lungimea de instalare este aproximativ jumătate din cea a unui cilindru tip tijă cu aceeași cursă. Există două familii de design, iar alegerea dintre ele este un adevărat compromis de inginerie.

Cilindri fără tijă cuplati magnetic

Într-un design magnetic, un piston echipat cu magneți puternici trage un cărucior extern prin peretele tubului. Absența unei fante mecanice menține designul curat și economic, dar cuplajul poate aluneca atunci când căruciorul întâmpină o sarcină de șoc sau suportă o masă verticală grea. Acești cilindri se potrivesc cu manevrarea ușoară și lucrările de ridicare și plasare, cu curse de obicei de până la 2-3 metri.

Cilindri fara tija imbinati mecanic

Un cilindru îmbinat mecanic conectează pistonul direct la cărucior printr-o fantă etanșată de o bandă de oțel inoxidabil. Transmite forțe mai mari în ambele direcții și nu alunecă, ceea ce este esențial pentru mișcările verticale. Cilindri fără tijă MY1B cu îmbinare mecanică sunt un exemplu reprezentativ al acestei familii pentru proiectanții care au nevoie de poziționare repetabilă cu sarcini utile mai mari.

Furnizori de cilindru fără tijă cu îmbinare mecanică seria MY1B (tip de bază), OEM/ODM Fa CKT Pneumatic este un furnizor en-gros din China de cilindru fără tijă cu îmbinare mecanică din seria MY1B (tip de bază) și o fabrică OEM/ODM, seria MY1B... Vizualizare produs →

Amortizare: proiectarea șocului la capătul cursei

Sfârșitul cursei este locul unde are loc cea mai mare uzură mecanică. La capacul de capăt, pistonul trebuie să disipeze energia cinetică E = 0,5 × m × v². Un cărucior de 50 kg care se deplasează cu 0,5 m/s transportă 6,25 jouli de energie cinetică ; fără amortizare, acea energie este absorbită în milisecunde de capac și garnituri.

O regulă practică: sub 0,1 m/s cu sarcini ușoare, este suficientă o bară de protecție din cauciuc sau poliuretan; de la 0,1 la 0,5 m/s cu sarcini moderate, pernele pneumatice reglabile sunt standard; la viteze mai mari sau cu sarcini mari, montați un amortizor hidraulic extern. Potrivirea amortizarii la energia cinetică reală face parte din designul cilindrului, nu o gândire ulterioară.

Garnituri, temperatura și calitatea aerului

Materialul de etanșare definește fereastra de operare

Cilindrii standard folosesc garnituri NBR, de obicei evaluate de la -20 °C la 80 °C. Garniturile FKM (Viton) extind limita superioară la aproximativ 200 °C, ceea ce contează în liniile de uscare și aplicațiile la ușile cuptorului. Ștergătoarele din poliuretan sunt un plus comun în mediile cu praf. Designul de etanșare afectează, de asemenea, viteza: etanșările U-cup oferă etanșare pozitivă la viteze mici, în timp ce inelele O dinamice sunt preferate pentru ciclism de mare viteză, deoarece generează mai puțină frecare.

Aerul murdar scurtează durata de viață a cilindrului mai mult decât orice altceva

Majoritatea uzurii cilindrului începe cu aer comprimat contaminat. Apa, uleiul rezidual al compresorului și particulele fine strică tubul și distrug etanșările tijei. Instalarea unui F.R.L. modular. unitatea cu un filtru de 5 µm și o separare adecvată a umidității la punctul de utilizare va face mai mult pentru durata de viață a cilindrului decât schimbarea mărcii cilindrului. Presiunea, debitul și etanșarea trebuie tratate ca un sistem, începând de la unitatea de preparare a aerului și terminând la orificiul de evacuare.

Standarde care modelează designul cilindrului pneumatic

Designul este, de asemenea, despre interschimbabilitate. Aproape fiecare cilindru pneumatic vândut la nivel global urmează unul dintre standardele dimensionale ISO trei, iar familia de construcții este de obicei dictată de standard. Intervalele de alezaj de mai jos reflectă interpretarea obișnuită din industrie utilizată în ghidul de referință din prezentarea generală a cilindrului pneumatic Tameson și sursele echivalente.

Achiziționarea unui cilindru conform ISO înseamnă că o unitate de înlocuire de la o altă marcă va cădea de obicei în aceleași suporturi fără a redesena mașina. O cursă non-standard sau o lungime personalizată a tijei, prin contrast, înseamnă de obicei un timp de livrare mai lung și un preț mai mare, așa că verificați intervalul de cursă din catalog înainte de a îngheța designul. Cu mai mult de două decenii de experiență în fabricarea de componente pneumatice , construim gamele noastre de cilindri standard și subțiri conform acestor convenții, astfel încât clienții să poată schimba furnizorii fără a reproiecta montajul.

O listă de verificare pentru precomandă pentru proiectarea cilindrului pneumatic

Înainte ca un model de cilindru să fie reparat, parcurgeți această listă de verificare. Fiecare articol este o intrare de proiectare, iar omiterea unuia apare, de obicei, ca o eroare de câmp sau o comandă de modificare costisitoare.

• Sarcina axială pentru extindere și retragere, plus factorul de siguranță 1,25–1,5.
• Presiunea de alimentare disponibil la portul cilindrului, nu doar la compresor.
• Lungimea cursei egal cu deplasarea plus marjele de capăt.
• Viteza si durata ciclului , cu supapa Cv și dimensiunile orificiilor verificate ca un singur circuit.
• Familia de montaj selectate pentru direcția de tracțiune și geometria mașinii.
• Sarcini laterale eliminate sau transferate la un proiect de cilindru ghidat.
• Amortire potrivită cu energia cinetică la sfârșitul cursei.
• Mediul : interval de temperatură, umiditate, spălare sau expunere la praf.
• Detectarea poziției : piston magnetic cu un comutator magnetic, sau un senzor liniar extern.
• Plan de întreținere : tirant reconstruabil sau cilindru cartuş înlocuibil.

Întrebări frecvente despre proiectarea cilindrului pneumatic

Cum calculez forța pe care o poate produce un cilindru pneumatic?

Utilizați F = P × A, unde A este aria efectivă a pistonului. Pentru o gaură de 63 mm la 0,6 MPa, forța de extindere teoretică este de 1.870 N. În practică, aplicați o eficiență de 75–90% pentru a lua în considerare frecarea etanșării, apoi aplicați un factor de siguranță de 1,25–1,5 pentru sarcini dinamice.

De ce dimensiune am nevoie pentru o sarcină de 500 kg?

O sarcină de 500 kg care exercită aproximativ 4.900 N necesită aproximativ 6.125 N de forță teoretică la 0,6 MPa odată ce se presupune o eficiență de 80%. Un alezaj de 100 mm dă 4.712 N, ceea ce nu este suficient; un orificiu de 125 mm dă 7.363 N, ceea ce este suficient. Verificați întotdeauna și cursa de retragere, deoarece tija reduce aria efectivă.

Ce design de cilindru este cel mai bun pentru curse lungi?

Cilindrii fără tijă sunt cea mai bună alegere pentru curse mai mari de aproximativ 500 mm, deoarece lungimea de instalare este de aproximativ jumătate din cea a unui cilindru tip tijă. Utilizați un design cuplat magnetic pentru o manevrare ușoară și curată și un design articulat mecanic pentru sarcini mai grele sau mișcări verticale unde alunecarea nu este acceptabilă.

De ce se defectează cilindrul meu din cauza încărcării laterale, chiar dacă forța este corectă?

Deoarece încărcarea laterală creează un moment de încovoiere asupra tijei și a rulmentului frontal pe care nicio forță axială nu îl poate compensa. Chiar și o forță laterală de câteva procente din tracțiunea nominală scurtează durata de viață a rulmentului și a etanșării. Soluția este de a menține împingerea aliniată cu linia centrală a tijei sau de a folosi un design de cilindru ghidat.

Poate un cilindru pneumatic standard să susțină o sarcină la mijlocul cursei?

Nu. Aerul comprimat este compresibil, așa că un cilindru standard cu dublă acțiune nu poate menține o poziție fixă ​​sub o sarcină variabilă. Utilizați un blocaj mecanic al tijei, un cilindru de blocare sau o frână externă atunci când este necesară menținerea la mijlocul cursei.

Care este diferența dintre modelele de cilindru cu acțiune simplă și cu dublă acțiune?

Un cilindru cu acțiune simplă folosește aer pentru a se deplasa într-o direcție și un arc pentru a reveni, ceea ce simplifică circuitul, dar limitează cursa și consumă energia arcului la retur. Un cilindru cu dublă acțiune folosește aer pentru ambele direcții, oferind control deplin asupra forței, vitezei și amortizarii în ambele direcții - alegerea standard pentru majoritatea automatizărilor.