Пневматические силовые цилиндры

Пневматические силовые цилиндры подразделяются на две группы — устройства с поступательным и вращательным движением выходного звена. Устройства с поступательным линейным движением делятся на пневмоцилиндры одностороннего и двустороннего действия, штоковые и бесштоковые. Штоковые пневмоцилиндры в свою очередь могут иметь проходной и непроходной шток. Устройства с вращательным (ротационным) движением делятся на пневмоцилиндры с вращательным движением выходного звена и поворотные пневмоцилиндры.

Конструктивно пневматические силовые цилиндры могут быть поршневыми, мембранными, сильфонными и шланговыми.

В поршневых пневматических цилиндрах, как и в диафрагменных, используется потенциальная энергия сжатого газа, но наличие поршня с подвижными уплотнениями позволяет получить большие перемещения выходного звена. Принципиальная схема поршневого штокового пневмоцилиндра двустороннего действия с непроходным штоком показана на рис. 4.5, работа которого аналогична действию диафрагменного пневматического двигателя.

Для уплотнения по штоку в сквозной крышке цилиндра устанавливается манжета из упругого материала. Втулка, служащая направляющей для штока, позволяет увеличить допустимое поперечное усилие нагрузки на шток, особенно на больших длинах. Перед втулкой в сквозную крышку вставлено кольцо, которое предотвращает попадание внутрь цилиндра пыли и твердых частиц. Изменение объема рабочих полостей пропорционально перемещению штока. При этом добавочный объем может быть сведен к минимуму, определяемому только объемом трубопроводов.

Рис. 4.5. Схема поршневого пневмодвигателя:

• 1 — шток; 2 — крышка цилиндра; 3 -уплотнение цилиндра;
• 4 — корпус; 5-уплотнение поршня; 6 — поршень;
• 7 — потенциометр обратной связи; 8 — движок потенциометра; 9 — штуцер второй полости; 10- штуцер первой полости

Объемы первой К/ и второй V₂ рабочих полостей равны:

мр mi²

где F" = ———— - площадь поршня, d — диаметр поршня цилиндра,.

4 4 ^п

d_mm ~ диаметр штока.

В цилиндре одностороннего действия сжатый воздух воздействует на поршень только с одной стороны, с другой стороны полость цилиндра всегда соединена с атмосферой. Такой цилиндр может совершать работу только в одном направлении. Возврат поршня в исходное положение осуществляется под действием упругого элемента, в качестве которого обычно используется пружина. Сила упругости встроенной в цилиндр пружины подбирается таким образом, чтобы поршень без нагрузки возвращался в исходное положение с относительно большой скоростью, приблизительно равной скорости рабочего хода при отсутствии нагрузки. Ход цилиндров одностороннего действия со встроенной пружиной ограничен длиной пружины в свободном состоянии.

Благодаря простой конструкции цилиндры одностороннего действия применяются там, где нужны компактность и небольшие перемещения, а именно при подаче заготовок, обрезке, соединении деталей, зажиме заготовок, извлечении деталей и штамповке. Поршни цилиндров одностороннего действия имеют всего одно уплотнение, обращенное рабочей стороной к поршневой полости, в которую подается сжатый воздух. Уплотнение изготавливается из упругого материала, например пербунана, устанавливаемого в металлический или пластмассовый поршень. При движении уплотнения его кромки скользят по внутренней поверхности цилиндра, при этом воздух из штоковой полости свободно выходит в атмосферу через вентиляционное отверстие, защищенное фильтром или сетчатой крышкой от попадания загрязнений извне.

Проблема плавной остановки поршня возникает в связи с увеличением скорости срабатывания пневмопривода, что, в свою очередь, диктуется необходимостью повышения производительности технологического оборудования. Но и при относительно небольших скоростях подхода поршня к крайнему положению остановка его с ударом вызывает вибрацию, шум, снижает долговечность оборудования. Все эти явления становятся особенно ощутимыми, когда масса подвижных частей привода и ведомого механизма велика.

Одна из возможных схем поршневого пневмоцилиндра одностороннего действия с торможением представлена на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Схема цилиндра с торможением в конце хода:

1 — поршень; 2 — корпус

Поршень выполнен ступенчатой формы с диаметрами D и d. Корпус со стороны штока имеет две полости с диаметрами D и dj, причем диаметры D и d| образуют зазор

При рабочем ходе поршня, пока часть поршня с диаметром d не входит в полость корпуса с диаметром d_/y воздух беспрепятственно поступает в выхлопную пневмолинию. Когда часть поршня с диаметром d входит в полость корпуса с диаметром d,_t воздух из штоковой полости проходит на выход через зазор &/, который является пневматическим сопротивлением. В результате в штоковой полости повышается давление и, следовательно, возникает тормозное усилие движению поршня.

Если в пневмосистеме используют обычный цилиндр без вышеописанного устройства, то требуемое торможение обеспечивают за счет включения во внешнюю выхлопную пневмолинию специального местного сопротивления. Одна из схем представлена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Схема с использованием внешнего пневмодросселя.

До тех пор, пока пневмораспределитель с кулачковым управлением находится в позиции А, воздух из штоковой полости цилиндра свободно поступает в атмосферу. В конце хода выступ на штоке переключает распределитель в позицию />, и на пути потока воздуха включается дроссель Д.

Тандем-цилиндр представляет собой два цилиндра двустороннего действия с общим штоком, объединенные в одном корпусе. При одновременной подаче сжатого воздуха под оба поршня такой цилиндр развивает почти вдвое большее усилие, чем обычный цилиндр с таким же диаметром поршня и штока. Тандем-цилиндры применяются там, где при ограниченных поперечных размерах цилиндра необходимо развивать значительные усилия.

В ряде технологических операций, таких, как штамповка, клеймение, пробивка отверстий, требуется ударное воздействие. В этом случае используют ударные пневмоцилиндры. Схема одного из них представлена на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Пневмоцилиндр ударного действия

В цилиндре имеются три полости а, Ь, с. Полость я, которая играет роль ресивера, через канал 1 всегда соединена с напорной пневмолинией с давлением РВ исходном положении полость Ь через канал 3 соединена с атмосферой, а полость с через канал 4 — с напорной пневмолинией. При таком соединении полостей за счет разности эффективных площадей поршень прижимается к седлу корпуса, перекрывая отверстие 2.

Для осуществления рабочего хода полость с соединяют с атмосферой, а канал 3 полости Ь перекрывают. Давление в полости с падает, поршень начинает двигаться вправо. Как только поршень откроет отверстие 2, резко возрастает движущая сила, поскольку сжатый воздух с давлением Р" действует теперь на всю площадь поршня. Поршень получает значительное ускорение. Чтобы избежать удара поршня о корпус цилиндра, в конструкции предусматривают возможность перекрытия канала 4 в конце хода поршня. Тогда поршень остановится без удара о корпус за счет сжатия воздуха в запертой полости с.

В технологических операциях, когда исполнительный механизм, например режущий инструмент или переключатель скоростей, необходимо устанавливать в двух и более фиксированных положениях, используют многопозиционные пневмоцилиндры, или пневматические позиционеры. Рассмотрим работу трехпозиционного пневмоцилиндра, схема которого показана на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Трехпозиционный пневмоцилиндр

Поршень занимает фиксированную позицию тогда, когда силы, действующие на него справа и слева, одинаковы. При равенстве эффективных площадей поршня это будет соответствовать равенству давлений сжатого воздуха в полостях а и Ь. В исходном положении управляющие электрические сигналы на двухпозиционные распределители А, Б и В не подаются. Распределители под действием пружин находятся в позициях, когда каналы 1, 2 и 3 перекрыты. Поршень при этом находится, например, в среднем положении (рис. 4.9). Давление сжатого воздуха в полостях an b одинаково и равно Р".

Если сигнал управления поступает на распределитель А, то он переходит в позицию, когда полость а сообщается с атмосферой. Под действием перепада давлений поршень начинает перемещаться влево. Движение будет до тех пор, пока сам поршень не перекроет канал 1, в полостях а и Ь снова не установится одинаковое давление. Это будет новое фиксированное положение поршня. Чтобы вернуть поршень в исходное положение или перевести его в крайнее правое, необходимо снять управляющий сигнал с распределителя А и подать сигнал на распределитель Б или В. Два одинаковых пневмодросселя Ду и Д₂ включаются в схему для того, чтобы в закрытой полости давление всегда было больше, чем давление в полости, соединенной с атмосферой.

Условные обозначения штоковых цилиндров в соответствии с международным стандартом DIN ISO 1219 даны в Приложении 1.

При разработке бесштоковых цилиндров используются три принципа построения конструкции: ленточные или тросовые цилиндры, цилиндры с уплотнением продольного шлица и цилиндры с магнитной муфтой.

Схема бесштокового цилиндра с уплотнением продольного шлица приведена на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Схема бесштокового цилиндра с уплотнением продольного шлица:

• 1,2- крышки; 3, 4- штуцеры; 5 — цилиндр;
• 6 — поршень; 7 — каретка; 8 — направляющая;
• 9-уплотнение продольного шлица; 10 — уплотнения

Выходным звеном бесштокового пневмоцилиндра является каретка, к которой подключается нагрузка. Усилие от поршня передается на каретку от поршня через уплотнение продольного шлица. В цилиндре вдоль всей длины корпуса выполнена сквозная прорезь. Каретка жестко соединена с поршнем. Это соединение осуществляется с помощью элемента, скользящего в шлице корпусной трубы цилиндра. Уплотнение шлица обеспечивается стальной лентой, которая прилегает к вну гренней стороне шлица. Каждая полость цилиндра герметизирована своими уплотнениями, установленными на поршне. Между этими уплотнениями лента изгибается и проходит под элементом, соединяющим поршень с кареткой. Вторая лента уплотняет шлиц снаружи, что защищает цилиндр от попадания загрязнений извне.

По сравнению с обычным цилиндром двустороннего действия бесштоковый цилиндр обладает меньшей длиной конструкции. Ограничения поперечной нагрузки на рабочий орган, в отличие от штокового цилиндра, снимаются. Бесштоковый цилиндр может применяться при ходах до Юм.

Ленточный цилиндр передает силу от поршня на каретку с помощью охватывающей его ленты. При выходе из рабочего объема цилиндра лента проходит через уплотнения в крышках цилиндра.

Цилиндр с магнитной муфтой двустороннего действия состоит из цилиндрического корпуса, бесштокового поршня и подвижной внешней каретки, скользящей по внешней поверхности корпуса цилиндра, имеющей в поперечном сечении форму круга. На поршне и на каретке размещены постоянные магниты, взаимодействующие между собой, т. е. передача усилия для перемещения нагрузки от поршня к каретке осуществляется с помощью магнитной муфты. После подачи воздуха в полость цилиндра синхронно с поршнем перемещается каретка. Полость цилиндра выполнена герметичной и не имеет никаких подвижных уплотнений, граничащих с окружающей средой. Это полностью исключает возможность утечек воздуха из цилиндра.

Условное обозначение бесштокового пневмоцилиндра приведено на рис. 4.11.

Рис. 4 11. Условное обозначение бесштокового пневмоцилиндра

Необходимо учитывать допустимое соотношение перемещаемой массы нагрузки и скорости поршня, которое обычно дается производителем в виде номограмм (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Допустимое соотношение перемещаемой массы нагрузки и скорости поршня для различных диаметров: 1−18 мм; 2−25 .мм

Например, для цилиндра с диаметром поршня 25 мм при скорости 2 м/с допустимая перемещаемая масса равна 3 кг.

Кроме поршневых цилиндров, в пневматических системах применяются мембранные пневмоцилиндры. Основным элементом такого пневмоцилиндра является гибкая мембрана 1 (рис. 4.13), к которой крепится шток 2.

Рис. 4.13. Мембранный пневмоцилиндр: 1 — мембрана; 2 — пружина; 3 — шток.

При подводе сжатого воздуха к левой полости пневмоцилиндра мембрана изгибается и смещает шток вправо. Обратный ход в большинстве случаев обеспечивается за счет пружины. В мембранных цилиндрах в зависимости от их назначения применимы встроенные мембраны, выполненные из резины, пластмассы или металла. Шток поршня закреплен концентрично на мембране. Поскольку' в мембранных цилиндрах отсутствуют трущиеся части, силы трения в них минимальны. Такие цилиндры имеют небольшой ход, поэтому используются для зажима, тиснения и подъема деталей.

При небольших перемещениях выходного звена в пневмосистемах низкого давления используют сильфонные пневмоцилиндры. Рабочей камерой такого цилиндра является полость сильфона — гофрированной металлической трубки 1 (рис. 4.14), способной увеличивать свою длину под действием давления сжатого воздуха.

Рис. 4.14. Сильфонный пневмоцилиндр

Как правило, сильфонные пневмоцилиндры являются цилиндрами одностороннего действия. Возврат в исходное положение происходит под действием внешних сил или упругих сил самого сильфона.

Если ввести понятие эффективная площадь по изменению объема соответственно для мембранного, сильфонного и поршневого двигателей как.

то уравнения изменения объемов рабочих полостей пневматического двигателя статического действия будут одними и теми же для любого типа, а именно:

При анализе работы пневматического двигателя статического действия мы имеем дело с четырьмя переменными величинами: давлениями и температурами в первой p_/f Т₂ и во второй р₂. Т₂ рабочих полостях. Поэтому для полного описания процессов, происходящих в газовом двигателе, необходимо иметь четыре уравнения. В качестве этих уравнений могут быть взяты уравнения сохранения расхода и уравнения сохранения энергии для каждой рабочей полости. Для пневматического привода статического действия эти уравнения имеют вид:

где G/j и Gu — весовые расходы втекания газа в первую и вторую рабочие полости, G₂i и G₂₂ — весовые расходы вытекания газа из первой и второй рабочих полостей, Р₂ и Р₂- вес газа в первой и второй рабочих полостях, Пц и П_/2 — удельные приходы энергии в первую и вторую рабочую полости, П₂/ и П₂₂ — удельные расходы энергии из первой и второй рабочей полостей, Е/ и Е₂ — энергия газа в первой и второй рабочих полостях.

В развернутой форме при адиабатическом характере процессов в рабочих полостях предыдущие уравнения имеют вид:

где Yi — удельный вес, к — показатель адиабаты.

Решение этой нелинейной системы второго порядка возможно с помощью компьютерных программ, но при этом надо иметь в виду, что входящие в уравнения сохранения энергии удельные расходы и поступления энергии являются переменными величинами, зависящими от характера теплообмена между горячим газом и металлом конструкции пневматического привода.

К пневмодвигателям возвратно-поступательного движения можно условно отнести шланговые пневмоцнпиндры, которые используют в транспортирующих механизмах со значительными перемещениями (до 10 м), но с небольшими перемещаемыми массами (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Шланговый пневмоцилиндр:

I — шланг; 2 — каретка; 3 — распределитель

Ролики каретки обжимают эластичный шланг. При подаче воздуха в один конец шланга и соединении другого с атмосферой в позиции А распределителя каретка с перемещаемым объектом за счет деформации шланга под действием сжатого воздуха начинает двигаться. Возврат каретки происходит при переключении распределителя в позицию Б.

Поворотные пневмодвигатели в основном строятся на принципе механического преобразования поступательного движения поршня в поворотное движение выходного звена.

На рис. 4.16 представлена одна из схем поворотного пневмодвигателя с механическим преобразованием движения.

Рис. 4.16. Поворотный пневмодвигатель с механическим преобразованием движения

В этой схеме канал 5 и полость А постоянно подключены к напорной пневмолинии с давлением Р_ы. Если канал I соединить с напорной пневмолинией, а канал 2 — с атмосферой, то под действием перепада давлений поршень 3 начнет перемещаться влево. При этом он будет поворачиваться через цепную передачу 4 по часовой стрелке. Вращение передачи и, следовательно, выходного вала в обратную сторону будет при соединении канала с атмосферой, а канала 2 — с напорной пневмолинией.

В механизмах станков и автоматических линий для зажима деталей используют камерные поворотные пневмодвигатели (рис. 4.17).

Рис. 4.17. Камерный поворотный пневмодвигатель

Сжатый воздух через канал 1 подается в камеру 2, стенки которой выполнены из упругого материала. Под давлением воздуха камера расширяется, поворачивая рычаги 3 и 4 вокруг осей вращения, обеспечивая зажим детали 5.