Пневматический цилиндр – это устройство, преобразующее энергию сжатого воздуха в возвратно-поступательное линейное движение. Пневматические цилиндры используются во многих отраслях промышленности, поскольку они просты в использовании и являются экономически эффективным решением.
В цилиндре двустороннего действия для перемещения поршня в обоих направлениях используется сжатый воздух, в то время как в цилиндре одностороннего действия для перемещения в одном направлении используется сжатый воздух, а в другом — возвратная пружина. Пневмоцилиндры могут быть оснащены дополнительными аксессуарами (например, датчиками для определения положения поршня).
На Рисунке 2 показаны основные компоненты пневматического цилиндра двустороннего действия. Это отверстие в крышке (A), шток (B), отверстие на конце штока (C), поршень (D), цилиндр (E) и шток поршня (F). Цилиндр одностороннего действия имеет только одно концевое отверстие (А или С) и использует возвратную пружину для перемещения в исходное положение. Цилиндр (Е) закрыт с обоих концов головной и торцевой заглушками. Сжатый воздух (или пружина) перемещает поршень (D), а затем и шток поршня (F). Длина хода поршня — это расстояние, на которую можно выдвинуть шток поршня. Важно помнить, что диаметр пневмоцилиндра прямо пропорционален величине силы, которую он может создать за счет давления поступающего воздуха. Для пневмоцилиндров одностороннего действия необходимо также учитывать противодействующую силу пружины.
Пневматические цилиндры двустороннего действия являются наиболее распространенным типом пневмоцилиндров, поскольку они дают полный контроль над движением поршня. На рисунке 3 показано движение поршня и штока поршня, когда сжатый воздух поступает в порт на крышке и порт на конце штока. Отрицательное положение поршня – это когда шток поршня втянут, а положительное положение – когда шток поршня выдвинут. Когда сжатый воздух поступает в порт на крышке, он толкает поршень вперед (в положительном направлении) и выдвигает шток поршня (Рисунок 3А). Воздух вытесняется из порта на конце стержня. Чтобы втянуть шток поршня, сжатый воздух поступает в отверстие на конце штока и вытесняет воздух из отверстия на крышке, заставляя поршень втягиваться в отрицательное положение (Рисунок 3B).
Синей стрелкой показан процесс закачки воздуха, серой стрелкой – выпуска воздуха. Слева показано движение в положительном направлении (А). Изображение справа показывает движение в отрицательном направлении (B).
Пневмоцилиндры двойного действия не только предоставляют полный контроль над работой поршня, но и обладают более длинным ходом поршня и более высокой мощностью. Они также могут работать на более высоких скоростях. Однако если вам необходимо, чтобы при возникновении аварийной ситуации, когда в системе пропадает давление, цилиндр возвращался в исходную позицию, цилиндр двустороннего действия вам не подойдет. Помимо этого, поскольку такие цилиндры используют сжатый воздух для движения поршня в обоих направлениях, они потребляют больше энергии по сравнении с пневмоцилиндрами одностороннего действия.
Цилиндры одностороннего действия часто используются в целях обеспечения безопасности, когда необходимо удерживать поршень в определенном положении в случае потерь сжатого воздуха. К числу недостатков таких цилиндров относится снижение общей мощности и ограниченная длина хода поршня из-за наличия пружины, которая работает против движения воздуха и ограничивает рабочее пространство поршня. Таким образом, воздух используется для перемещения поршня в лишь одном направлении. В обратное направление поршень перемещается под действием возвратной пружины. На рисунке 4 показаны два варианта конструкции таких цилиндров.
Сжатый воздух используется для перемещения поршня в одном направлении, растягивая (А) или сжимая (В) пружину или поршень.
Поскольку в пневмоцилиндры нагнетается сжатый воздух, движение поршня в них может быть очень быстрым, а сам поршень может ударяться с большой силой о головку цилиндра или его торцевую крышку. Такой удар оказывает давление на все компоненты пневмоцилиндра, создает шум и передает вибрацию на механизм. Чтобы этого не произошло, на крышках устанавливается амортизация, замедляющая ход поршня и предотвращающая отскок поршня из конечного положения. Большинство пневматических цилиндров имеют торцевую амортизацию, выполненную одним из следующих способов:
- Гибкая. В небольших пневмоцилиндрах устанавливаются гибкие амортизационные кольца. Чаще всего они встроены либо в поршень, либо в головку и торцевую крышку цилиндра. Этот тип амортизации подходит для низких рабочих скоростей, низких нагрузок и более короткой длины хода поршня.
- Регулируемая. Для более крупных пневматических цилиндров с более высокой скоростью поршня или большей мощностью амортизация достигается за счет удержания определенного объема воздуха в конечном положении. В конце хода воздух сжимается и создает тормозной эффект. Для этого непосредственно на торцевых отверстиях цилиндра устанавливаются обратные клапаны. Это обеспечивает свободный поток сжатого воздуха, а выпускное отверстие можно регулировать одним винтом. Такая амортизация не подвержен износу и обеспечивает оптимальные амортизационные характеристики. В зависимости от рабочего давления и мощности цилиндра посредством натяжения винтов на цилиндре можно настроить идеальную степень амортизации для конкретной системы.
- Саморегулирующаяся. При этом методе амортизации отработанный воздух выходит через продольные щели внутри цилиндра, степень открытия которых зависит от величины удара, что позволяет автоматически адаптироваться к изменению мощности и скорости поршня.
Амортизация так же связана с формой самого цилиндра. Конструкция пневматических цилиндров обычно соответствует стандартам ISO. Таким образом, установочные размеры, внутренний диаметр цилиндра, длинна хода поршня, характеристики штока поршня и конфигурация входных/выходных отверстий определяются типом цилиндра и областью его применения в соответствии с определенным стандартом. Тем не менее, существует также множество нестандартных цилиндров, используемых в конкретных случаях.
Стандарт ISO 6432 (8–25 мм) для цилиндров с круглым профилем. ISO 6432 применим к одноштоковым пневматическим цилиндрам с отверстиями диаметром от 8 до 25 мм и максимальным рабочим давлением до 10 бар (1000 кПа), широко известным как круглые цилиндры. Данный стандарт определяет метрические параметры установочных размеров, необходимых для обеспечения взаимозаменяемости цилиндров. Такие цилиндры не предоставляют возможность регулировать степень амортизации и это компактное оборудование, подходящее для автоматических систем диагностического оборудования, автомобильных систем, промышленных линий розлива жидкостей, коммерческого кухонного и прачечного оборудования.
Стандарт ISO 15552 (32-320 мм) определяет метрические установочные размеры, размеры отверстий, способы монтажа, характеристики штока поршня, длину хода пневмоцилиндров одностороннего или двустороннего действия с максимальным рабочим давлением до 10 бар (1000 кПа) и размерами отверстий от 32 мм до 320 мм. Пневматические цилиндры, изготовленные по стандарту ISO 15552, оснащены регулируемой амортизацией, которые помогают добиться идеального демпфирования, они подходят для эффективной транспортировки больших грузов. Они обычно используются в машиностроении, пищевой промышленности и производстве напитков и т.д.
Стандарт ISO 21287 (20–100 мм) распространяется на одноштоковые пневматические цилиндры с максимальным рабочим давлением до 10 бар (1000 кПа) и размерами отверстий от 20 до 100 мм. Пневмоцилиндры, выполненные по таком стандарту, не оснащены регулируемыми амортизаторами, однако на обоих их концах есть резиновые упругие элементы, обеспечивающие амортизацию. Такие цилиндры компактны и легки, поэтому подходят для применения в системах, где рабочее пространство ограничено.