Пневматический цилиндр

Механическое устройство со сжатым газом

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

Схема работы цилиндра двойного действия

3D -анимированный пневматический цилиндр ( САПР )

Условное обозначение пневматического цилиндра с пружинным возвратом

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

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

Поскольку рабочая жидкость представляет собой газ, утечка из пневматического цилиндра не будет вытекать и загрязнять окружающую среду, что делает пневматику более желательной там, где требуется чистота. Например, в механических куклах Disney Tiki Room пневматика используется для предотвращения попадания капель жидкости на людей под куклами.

Операция

Общий

После приведения в действие 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 которой сталкиваются инженеры при работе с пневматическими цилиндрами, связана со сжимаемостью газа. Было проведено много 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 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 оказывает влияние 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 потери подачи воздуха (или падения его давления ) и, таким образом, устранять или смягчать любые повреждения, возникающие в такой ситуации. Утечка воздуха из входа или выхода снижает выходное давление.

Типы

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

Цилиндры одностороннего действия

Цилиндр одностороннего действия (SAC) имеет один порт, который позволяет сжатому воздуху поступать внутрь и перемещать шток только в одном направлении. Высокое давление сжатого воздуха заставляет шток выдвигаться, пока камера цилиндра продолжает заполняться. Когда сжатый воздух выходит из цилиндра через тот же порт, шток возвращается в исходное положение.

Цилиндры двойного действия

Цилиндры двойного действия (DAC) используют силу воздуха для перемещения как в выдвижном, так и в обратном ходе. Они имеют два порта для впуска воздуха, один для обратного хода и один для прямого хода. Длина хода для этой конструкции не ограничена, однако шток поршня более уязвим к изгибу и деформации. Также необходимо выполнить дополнительные расчеты. ^{[1] : 89}

Многоступенчатый телескопический цилиндр

Пневматический телескопический цилиндр, 8-ступенчатый, одностороннего действия, втянутый и выдвинутый

Телескопические цилиндры, также известные как телескопические цилиндры, могут быть как одностороннего, так и двустороннего действия. Телескопический цилиндр включает в себя шток поршня, вложенный в ряд полых ступеней увеличивающегося диаметра. При приведении в действие шток поршня и каждая последующая ступень «телескопируются» как сегментированный поршень. Основным преимуществом этой конструкции является возможность значительно более длинного хода, чем было бы достигнуто с одноступенчатым цилиндром той же сжатой (втянутой) длины. Одним из упомянутых недостатков телескопических цилиндров является повышенный потенциал для изгиба поршня из-за сегментированной конструкции поршня. Следовательно, телескопические цилиндры в основном используются в приложениях, где поршень несет минимальную боковую нагрузку. ^[3]

Другие типы

Хотя SAC и DAC являются наиболее распространенными типами пневматических цилиндров, следующие типы не являются особенно редкими: ^{[1] : 89}

• Пневмоцилиндры со сквозным штоком: шток поршня проходит через обе стороны цилиндра, что обеспечивает одинаковые усилия и скорости с обеих сторон.
• Пневмоцилиндры с амортизационной крышкой: цилиндры с регулируемым выпуском воздуха для предотвращения ударов между штоком поршня и крышкой цилиндра.
• Вращающиеся воздушные цилиндры: приводы, использующие воздух для придания вращательного движения.
• Бесштоковые воздушные цилиндры: у них нет поршневого штока. Это приводы, которые используют механическую или магнитную связь для передачи силы, как правило, столу или другому телу, которое движется по длине корпуса цилиндра, но не выходит за его пределы.
• Тандемный воздушный цилиндр: два цилиндра, соединенные последовательно
• Ударный пневмоцилиндр: высокоскоростные цилиндры со специально разработанными торцевыми крышками, выдерживающими удары при выдвижении или втягивании поршневых штоков.

Бесштоковые цилиндры

Бесштоковые цилиндры не имеют штока, только относительно длинный поршень. Тросовые цилиндры сохраняют отверстия на одном или обоих концах, но пропускают гибкий кабель, а не стержень. Этот кабель имеет гладкую пластиковую оболочку для герметизации. Конечно, один кабель должен поддерживаться в натяжении. ^[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 из немагнитного материала, цилиндр является мощным магнитом и тянет за собой магнитный бегунок снаружи.

В механическом типе часть цилиндра выходит наружу через щель, прорезанную по длине цилиндра. Затем щель 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 «отслаивания» уплотнений перед выступающим звеном и для их замены позади. Внутренняя часть поршня, таким образом, находится под атмосферным давлением. ^[5]

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

Дизайн

Строительство

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

• Цилиндры с тяговыми штангами: Наиболее распространенные конструкции цилиндров, которые могут использоваться во многих типах грузов. Доказано, что это самая безопасная форма.
• Фланцевые цилиндры: к концам цилиндра добавляются фиксированные фланцы, однако такая форма конструкции более распространена в конструкции гидравлических цилиндров.
• Цельносварные баллоны: концы привариваются или обжимаются к трубке, такая конструкция недорога, но делает баллон непригодным для обслуживания.
• Цилиндры с резьбовым концом: Концы навинчиваются на корпус трубки. Уменьшение материала может ослабить трубку и привести к проблемам с концентричностью резьбы в системе.

Материал

Материал может быть выбран в соответствии с требованиями к работе. Диапазон материалов от никелированной латуни до алюминия и даже стали и нержавеющей стали. В зависимости от уровня нагрузки, влажности, температуры и указанной длины хода может быть выбран подходящий материал. ^[6]

Крепления

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

Размеры

Воздушные цилиндры доступны в различных размерах и обычно могут варьироваться от небольшого воздушного цилиндра 2,5 мм ( 1 ⁄ 10  дюйма), который может использоваться для подъема небольшого транзистора или другого электронного компонента, до воздушных цилиндров диаметром 400 мм (16 дюймов), которые могут обеспечить достаточно силы, чтобы поднять автомобиль. Некоторые пневматические цилиндры достигают 1000 мм (39 дюймов) в диаметре и используются вместо гидравлических цилиндров в особых случаях, когда утечка гидравлического масла может представлять 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 силы. В зависимости от длины штока поршня напряжения могут рассчитываться по-разному. Если длина штока меньше диаметра в 10 раз, то его можно рассматривать как жесткое тело, на которое действуют сжимающие или растягивающие силы. В этом случае соотношение следующее:

${\displaystyle F=A\sigma }$

Где:

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

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

${\displaystyle \sigma }$это стресс

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

Инсульт и аутстрок

Хотя диаметр поршня и сила, оказываемая цилиндром , связаны , они не прямо пропорциональны друг другу. Кроме того, типичное математическое соотношение между ними предполагает, что подача воздуха не становится насыщенной . Из-за эффективной площади поперечного сечения, уменьшенной на площадь штока поршня, сила хода внутрь меньше силы хода наружу, когда оба приводятся в действие пневматически и с помощью одинаковой подачи сжатого газа.

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

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

Где:

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

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

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

Аутстроук

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 собой результирующую силу

${\displaystyle r}$представляет собой радиус поршня

${\displaystyle \pi }$это число Пи , приблизительно равное 3,14159.

Инсульт

На прямом ходе применяется то же соотношение между приложенной силой, давлением и эффективной площадью поперечного сечения , что обсуждалось выше для обратного хода. Однако, поскольку площадь поперечного сечения меньше площади поршня, соотношение между силой, давлением и радиусом иное. Расчет не сложнее, поскольку эффективная площадь поперечного сечения — это просто площадь поверхности поршня за вычетом площади поперечного сечения штока поршня.

Таким образом, для прямого хода соотношение между приложенной силой, давлением, радиусом поршня и радиусом штока поршня выглядит следующим образом:

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

Где:

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

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

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

${\displaystyle \pi }$это число Пи , приблизительно равное 3,14159.

Смотрите также

• Динамика жидкости
• Жидкостная энергия
• Гидравлика
• Гидравлический цилиндр
• Пневматический двигатель
• Пневматика
• Трубчатый линейный двигатель

Ссылки

1. [1] Маджумдар, SR (1995). Пневматическая система: принципы и обслуживание . Нью-Дели: Tata McGraw-Hill.
2. Ченг, Чи-Ненг. (2005). Проектирование и управление для точного позиционирования пневматического цилиндра при вертикальной нагрузке.
3. Пневматика Ergo-Help, телескопические цилиндры EHTC
4. Пневматические приводы Tolomatic. Tolomatic . Получено 3 мая 2011 г.
5. [2], (Каталог, 7,4 МБ) Схемы, иллюстрирующие принцип, находятся на страницах 6 и 7 (пара лицом друг к другу; стоит настроить свой ридер). На разрезе показан только один поршень; другой спрятан; он симметричен, но перевернут. Parker/Origa также выпускает подобные цилиндры с уплотнительными полосами.
6. Пневматические цилиндры — Северная Америка. Parker Hannifin . Получено 3 мая 2011 г.
7. Хиббелер, RC (2007). Инженерная механика: Статика (11-е изд.). Нью-Джерси: Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-13-221500-8.