Пневматический цилиндр

Механическое устройство со сжатым газом

Схема работы цилиндра одностороннего действия. Пружина (красная) также может находиться снаружи цилиндра, прикрепленной к перемещаемому предмету.

Схема работы цилиндра двойного действия

3D -анимированный пневмоцилиндр ( CAD )

Схематическое обозначение пневмоцилиндра с пружинным возвратом

Пневматический цилиндр , также известный как воздушный цилиндр , представляет собой механическое устройство , которое использует мощность сжатого газа для создания силы при возвратно-поступательном линейном движении. ^{[1] : 85}

Как и в гидроцилиндре , что-то заставляет поршень двигаться в нужном направлении. Поршень представляет собой диск или цилиндр, и шток поршня передает развиваемую им силу на перемещаемый объект. ^{[1] : 85} Инженеры иногда предпочитают использовать пневматику, поскольку она тише, чище и не требует большого пространства для хранения жидкости.

Поскольку рабочей жидкостью является газ, утечка из пневматического цилиндра не будет вытекать и загрязнять окружающую среду, что делает пневматику более желательной там, где чистота является требованием. Например, в механических марионетках Disney Tiki Room используется пневматика, чтобы предотвратить попадание жидкости на людей под марионетками.

Операция

Общий

После срабатывания сжатый воздух поступает в трубку на одном конце поршня и передает усилие на поршень. В результате поршень смещается.

Сжимаемость газов

Одна из основных проблем, с которыми сталкиваются инженеры при работе с пневматическими цилиндрами, связана со сжимаемостью газа. Было проведено множество исследований о том, как может повлиять на точность пневматического цилиндра, поскольку нагрузка, действующая на цилиндр, пытается еще больше сжать используемый газ. При вертикальной нагрузке, когда цилиндр принимает на себя полную нагрузку, точность цилиндра страдает больше всего. Исследование, проведенное в Национальном университете Ченг Кунг на Тайване, пришло к выводу, что точность составляет около ± 30 нм, что все еще находится в пределах удовлетворительного диапазона, но показывает, что сжимаемость воздуха влияет на систему. ^[2]

Отказоустойчивые механизмы

Пневматические системы часто встречаются в условиях, где даже редкий и кратковременный отказ системы недопустим. В таких ситуациях замки иногда могут служить предохранительным механизмом в случае прекращения подачи воздуха (или падения его давления ) и, таким образом, устранять или уменьшать любой ущерб, возникающий в такой ситуации. Утечка воздуха на входе или выходе снижает выходное давление.

Типы

Хотя пневматические цилиндры различаются по внешнему виду, размеру и функциям, обычно они попадают в одну из конкретных категорий, показанных ниже. Однако существует также множество других типов пневматических цилиндров, многие из которых предназначены для выполнения конкретных и специализированных функций.

Цилиндры одностороннего действия

Цилиндр одностороннего действия (SAC) имеет одно отверстие, через которое поступает сжатый воздух, а шток движется только в одном направлении. Высокое давление сжатого воздуха заставляет шток выдвигаться по мере заполнения камеры цилиндра. Когда сжатый воздух покидает цилиндр через то же отверстие, шток возвращается в исходное положение.

Цилиндры двустороннего действия

Цилиндры двойного действия (DAC) используют силу воздуха для перемещения как при выдвижении, так и при втягивании. У них есть два отверстия для поступления воздуха: одно для обратного хода, другое для впуска. Длина хода для данной конструкции не ограничена, однако шток поршня более подвержен короблению и изгибу. Также необходимо провести дополнительные расчеты. ^{[1] : 89}

Многоступенчатый телескопический цилиндр

Пневматический телескопический цилиндр, 8-ступенчатый, одностороннего действия, втянут и выдвинут.

Телескопические цилиндры, также известные как телескопические цилиндры, могут быть как одинарного, так и двойного действия. Телескопический цилиндр включает в себя поршневой шток, расположенный в ряде полых ступеней увеличивающегося диаметра. При срабатывании шток поршня и каждая последующая ступень «выдвигаются» в виде сегментированного поршня. Основным преимуществом этой конструкции является возможность значительно более длинного хода, чем можно было бы достичь с помощью одноступенчатого цилиндра той же длины в сложенном (втянутом) состоянии. Одним из упомянутых недостатков телескопических цилиндров является повышенная вероятность изгиба поршня из-за сегментированной конструкции поршня. Следовательно, телескопические цилиндры в основном используются в тех случаях, когда поршень испытывает минимальную боковую нагрузку. ^[3]

Другие типы

Хотя SAC и DAC являются наиболее распространенными типами пневмоцилиндров, следующие типы не являются особой редкостью: ^{[1] : 89}

• Пневматические цилиндры со сквозным штоком: шток поршня проходит через обе стороны цилиндра, обеспечивая равные силы и скорости с обеих сторон.
• Пневматические цилиндры со стороны подушки: цилиндры с регулируемым выпуском воздуха во избежание ударов между штоком поршня и торцевой крышкой цилиндра.
• Поворотные пневматические цилиндры: приводы, которые используют воздух для придания вращательного движения.
• Бесштоковые пневмоцилиндры: у них нет штока поршня. Это приводы, в которых используется механическая или магнитная муфта для передачи силы, обычно столу или другому телу, которое перемещается по длине корпуса цилиндра, но не выходит за его пределы.
• Тандемный пневмоцилиндр: два цилиндра, собранные последовательно.
• Ударный воздушный цилиндр: высокоскоростные цилиндры со специально разработанными торцевыми крышками, которые выдерживают удары выдвижения или втягивания поршневых штоков.

Бесштоковые цилиндры

Бесштоковые цилиндры не имеют штока, а имеют относительно длинный поршень. Тросовые цилиндры сохраняют отверстия на одном или обоих концах, но пропускают гибкий трос, а не стержень. Этот кабель имеет гладкую пластиковую оболочку для герметизации. Разумеется, одиночный трос необходимо держать в натянутом состоянии. ^[4] Другие бесштоковые цилиндры закрывают оба конца, соединяя поршень либо магнитно, либо механически с приводом, который проходит вдоль внешней стороны цилиндра. В магнитном типе цилиндр тонкостенный и изготовлен из немагнитного материала, цилиндр представляет собой мощный магнит и снаружи тянет за собой магнитный бегун.

В механическом типе часть цилиндра выступает наружу через прорезь, вырезанную по длине цилиндра. Затем прорезь герметизируется гибкими металлическими уплотнительными лентами изнутри (для предотвращения утечки газа) и снаружи (для предотвращения загрязнения). Сам поршень имеет два торцевых уплотнения, а между ними кулачковые поверхности для «снятия» уплотнений перед выступающей тягой и замены их сзади. Таким образом, внутренняя часть поршня находится под атмосферным давлением. ^[5]

Одним из хорошо известных применений механического типа (хотя и с паровым приводом) являются катапульты, используемые на многих современных авианосцах .

Дизайн

Строительство

В зависимости от специфики работы доступны различные формы конструкций кузова: ^{[1] : 91}

• Цилиндры с рулевой тягой: наиболее распространенные конструкции цилиндров, которые можно использовать при различных типах нагрузок. Доказано, что это самая безопасная форма.
• Цилиндры фланцевого типа: к концам цилиндра добавляются фиксированные фланцы, однако эта форма конструкции более распространена в конструкции гидроцилиндров.
• Цельные сварные баллоны: концы привариваются или обжимаются к трубке, такая форма недорогая, но делает баллон непригодным для эксплуатации.
• Цилиндры с резьбовыми концами: Концы привинчиваются к корпусу трубки. Уменьшение количества материала может ослабить трубку и привести к проблемам с концентричностью резьбы в системе.

Материал

Материал можно выбрать по техническому заданию. Материал варьируется от никелированной латуни до алюминия и даже стали и нержавеющей стали. В зависимости от уровня нагрузок, влажности, температуры и указанной длины хода может быть выбран соответствующий материал. ^[6]

Маунты

В зависимости от места применения и обрабатываемости существуют различные виды креплений для крепления пневмоцилиндров: ^{[1] : 95}

Размеры

Пневматические цилиндры доступны в различных размерах и обычно могут варьироваться от небольшого воздушного цилиндра диаметром 2,5 мм ( 1 ⁄ дюйма  ), который можно использовать для установки небольшого транзистора или другого электронного компонента, до диаметра 400 мм (16 дюймов). воздушные цилиндры, которые могли бы передать достаточную силу, чтобы поднять автомобиль. Некоторые пневматические цилиндры достигают 1000 мм (39 дюймов) в диаметре и используются вместо гидравлических цилиндров в особых обстоятельствах, когда утечка гидравлического масла может представлять собой чрезвычайную опасность.

Соотношения давления, радиуса, площади и силы

Напряжения стержня

Из-за сил, действующих на цилиндр, шток поршня является наиболее нагруженным компонентом и должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать большие изгибающие, растягивающие и сжимающие усилия. В зависимости от длины штока поршня напряжения могут рассчитываться по-разному. Если длина стержня меньше диаметра более чем в 10 раз, то его можно рассматривать как твердое тело, на которое действуют сжимающие или растягивающие силы. В этом случае отношения:

${\displaystyle F=A\sigma }$

Где:

${\displaystyle F}$это сжимающая или растягивающая сила

${\displaystyle A}$площадь поперечного сечения штока поршня

${\displaystyle \sigma }$это стресс

Однако если длина стержня превышает значение диаметра в 10 раз, то стержень необходимо рассматривать как колонну и также необходимо рассчитать продольный изгиб. ^{[1] : 92}

Входной и внешний ход

Хотя диаметр поршня и сила, оказываемая цилиндром, связаны между собой , они не прямо пропорциональны друг другу. Кроме того, типичное математическое соотношение между ними предполагает, что подаваемый воздух не становится насыщенным . Из-за эффективной площади поперечного сечения, уменьшенной на площадь штока поршня, сила хода меньше, чем сила обратного хода, когда оба привода приводятся в действие пневматически и с одинаковой подачей сжатого газа.

Взаимосвязь между силой, радиусом и давлением можно получить из простого уравнения распределенной нагрузки: ^[7]

${\displaystyle F_{r}=PA_{e}}$

Где:

${\displaystyle F_{r}}$результирующая сила

${\displaystyle P}$это давление или распределенная нагрузка на поверхность

${\displaystyle A_{e}}$- эффективная площадь поперечного сечения, на которую действует нагрузка

Вынос

Используя уравнение распределенной нагрузки, можно заменить площадь поверхности поршня, на которую действует давление. ${\displaystyle A_{e}}$

${\displaystyle F_{r}=P(\pi r^{2})}$

Где:

${\displaystyle F_{r}}$представляет результирующую силу

${\displaystyle r}$представляет собой радиус поршня

${\displaystyle \pi }$это число пи , примерно равное 3,14159.

Нанесение удара

При ходе поршня на обратном ходу применяется та же самая связь между приложенной силой, давлением и эффективной площадью поперечного сечения , как обсуждалось выше для обратного хода. Однако, поскольку площадь поперечного сечения меньше площади поршня, соотношение между силой, давлением и радиусом другое. Однако расчет не является более сложным, поскольку эффективная площадь поперечного сечения равна площади поверхности поршня минус площадь поперечного сечения штока поршня.

Таким образом, для прямого хода взаимосвязь между приложенной силой, давлением, радиусом поршня и радиусом штока поршня следующая:

${\displaystyle F_{r}=P(\pi r_{1}^{2}-\pi r_{2}^{2})=P\pi (r_{1}^{2}-r_{2}^{2})}$

Где:

${\displaystyle F_{r}}$представляет результирующую силу

${\displaystyle r_{1}}$представляет собой радиус поршня

${\displaystyle r_{2}}$представляет собой радиус штока поршня

${\displaystyle \pi }$это число пи , примерно равное 3,14159.

Смотрите также

• Динамика жидкостей
• Гидравлическая мощность
• Гидравлика
• Гидравлический цилиндр
• Пневматический двигатель
• Пневматика
• Трубчатый линейный двигатель

Рекомендации

1. [1] Маджумдар, СР (1995). Пневматическая система: принципы и обслуживание . Нью-Дели: Тата МакГроу-Хилл.
2. Ченг, Чи-Нэн. (2005). Проектирование и контроль точного позиционирования пневматического цилиндра при вертикальной нагрузке
3. Ergo-Help Pneumatics, Телескопические цилиндры EHTC
4. Пневматические приводы Tolomatic. Толоматик . Проверено 3 мая 2011 г.
5. [2], (Каталог, 7,4 МБ) Диаграммы, показывающие принцип, находятся на страницах 6 и 7 (пара разворота; стоит настроить свой ридер). В разрезе показан только один поршень; другой скрыт; он симметричен, но перевернут. Parker/Origa также производит аналогичные цилиндры с уплотнительными лентами.
6. Пневматические цилиндры - Северная Америка. Паркер Ханнифин . Проверено 3 мая 2011 г.
7. Хиббелер, RC (2007). Инженерная механика: Статика (11-е изд.). Нью-Джерси: Пирсон Прентис Холл. ISBN 978-0-13-221500-8.