Пневматический цилиндр

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

Схема работы цилиндра двустороннего действия

3D- анимированный пневматический цилиндр ( CAD )

Схематическое изображение пневматического цилиндра с пружинным возвратом

Пневматические цилиндры ( иногда называемые воздушными цилиндрами ) - это механические устройства, которые используют энергию сжатого газа для создания силы при возвратно-поступательном линейном движении. ^{[1] : 85}

Подобно гидроцилиндрам , 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, 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 жидкости на людей, находящихся под куклами.

Операция [ править ]

Общие [ править ]

После приведения в действие сжатый воздух входит в трубку на одном конце поршня и передает силу на поршень. Следовательно, поршень смещается.

Сжимаемость газов [ править ]

Одна из основных проблем, с которыми сталкиваются инженеры при работе с пневматическими цилиндрами, связана со сжимаемостью газа. Было проведено множество исследований того, как можно 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 удовлетворительном диапазоне, но показывает, что сжимаемость воздуха влияет на систему. ^[2]

Отказоустойчивые механизмы [ править ]

Пневматические системы часто встречаются в условиях, когда 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 уменьшать любой ущерб, возникающий в такой ситуации. Утечка воздуха из входа или выхода снижает давление на выходе.

Типы [ править ]

Хотя пневматические цилиндры могут различаться по внешнему виду, размеру и функциям, они обычно относятся к одной из конкретных категорий, показанных ниже. Однако существует также множество других типов пневматических цилиндров, многие из которых предназначены для выполнения определенных и специализированных функций.

Цилиндры двустороннего действия [ править ]

Цилиндры двойного действия (DAC) используют силу воздуха для движения как при выдвижении, так и при втягивании. У них есть два порта для впуска воздуха: один для прямого хода, а другой - для прямого. Длина хода для этой конструкции не ограничена, однако шток поршня более уязвим к короблению и изгибу. Также следует провести дополнительные расчеты. ^{[1] : 89}

Многоступенчатый телескопический цилиндр [ править ]

Телескопические цилиндры, также известные как телескопические цилиндры, могут быть одностороннего или двустороннего действия. Телескопический цилиндр включает шток поршня, расположенный внутри ряда полых ступеней увеличивающегося диаметра. При приведении в действие шток поршня и каждая последующая ступень «выдвигаются» как сегментированный поршень. Основное преимущество этой конструкции - допуск на значительно больший ход, чем был бы достигнут с одноступенчатым цилиндром такой же длины в сжатом (втянутом) положении. 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 несет минимальную боковую нагрузку. ^[3]

Другие типы [ править ]

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

• Пневматические цилиндры со сквозным штоком: шток поршня проходит через обе стороны цилиндра, обеспечивая одинаковые силы и скорости с обеих сторон.
• Пневматические цилиндры со стороны амортизатора: цилиндры с регулируемым выпуском воздуха для предотвращения ударов между штоком поршня и торцевой крышкой цилиндра.
• Вращающиеся воздушные цилиндры: приводы, которые используют воздух для придания вращательного движения.
• Бесштоковые пневмоцилиндры: у них нет поршневого штока. Это приводы, которые используют механическую или магнитную муфту для передачи силы, как правило, столу или другому телу, которое движется по длине корпуса цилиндра, но не выходит за его пределы.
• Тандемный пневмоцилиндр: два цилиндра, соединенных последовательно
• Ударный воздушный цилиндр: высокоскоростные цилиндры со специально разработанными торцевыми крышками, которые выдерживают удары выдвигающихся или втягивающихся поршневых штоков.

Бесштоковые цилиндры [ править ]

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, нужно держать натянутый одиночный кабель. ^[4] Другие бесштоковые цилиндры закрывают оба конца, соединяя поршень либо магнитно, либо механически с приводом, который движется по внешней стороне цилиндра. В магнитном типе цилиндр является тонкостенным и изготовлен из немагнитного материала, цилиндр представляет собой мощный магнит и тянет за собой магнитный бегунок снаружи.

В механическом варианте часть цилиндра выходит наружу через прорезь, сокращающую длину цилиндра. Затем щель закрывается 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 выступающим рычагом и их замены сзади. Таким образом, внутреннее пространство поршня находится под атмосферным давлением. ^[5]

Одно известное применение механического типа (хотя и с паровым двигателем) - это катапульты, используемые на многих современных авианосцах .

Дизайн [ править ]

Строительство [ править ]

В зависимости от должностных требований доступны несколько форм конструкций кузова: ^{[1] : 91}

• Цилиндры с рулевой тягой: наиболее распространенные конструкции цилиндров, которые могут использоваться при многих 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 трубе, такая форма недорогая, но делает баллон непригодным для обслуживания.
• Цилиндры с резьбовым концом: Концы навинчиваются на корпус трубки. Уменьшение количества материала может ослабить трубу и вызвать проблемы соосности резьбы в системе.

Материал [ править ]

Материал может быть выбран в зависимости от задания. Диапазон материалов - от никелированной латуни до алюминия и даже стали и нержавеющей стали. В зависимости от указанного уровня нагрузок, влажности, температуры и длины хода может быть выбран соответствующий материал. ^[6]

Маунты [ править ]

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

Размеры [ править ]

Пневматические цилиндры доступны в различных размерах и обычно могут варьироваться от небольшого  воздушного цилиндра 2,5 мм ( 1 ⁄ 10 дюйма), который может использоваться для захвата небольшого транзистора или другого электронного компонента, до диаметра 400 мм (16 дюймов). баллоны с воздухом, которые будут передавать достаточно силы, чтобы поднять автомобиль. Некоторые пневматические цилиндры достигают 1000 мм (39 дюймов) в диаметре и используются вместо гидроцилиндров в особых случаях, когда утечка гидравлического масла может представлять серьезную опасность.

Взаимосвязь давления, радиуса, площади и силы [ править ]

Напряжения стержня [ править ]

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

${\ displaystyle F = A \ sigma}$

Где:

${\ displaystyle F}$сила сжатия или растяжения

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

${\ displaystyle \ sigma}$ это стресс

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

Инсульт и ход [ править ]

Хотя диаметр поршня и сила, прилагаемая цилиндром, взаимосвязаны , они не прямо пропорциональны друг другу. Кроме того, типичное математическое соотношение между ними предполагает, что подаваемый воздух не становится насыщенным . Из-за того, что эффективная площадь поперечного сечения уменьшается на площадь поршневого штока, сила прямого хода меньше, чем сила обратного хода, когда оба привода приводятся в действие пневматически и от одной и той же подачи сжатого газа.

Связь между силой, радиусом и давлением может быть получена из простого уравнения распределенной нагрузки: ^[7]

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

Где:

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

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

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

Outstroke [ править ]

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 равнодействующую силу

${\displaystyle r}$ представляет собой радиус поршня

${\displaystyle \pi }$равно пи , приблизительно равное 3,14159.

Инстрок [ править ]

При прямом ходе применяется такое же соотношение между прилагаемой силой, давлением и эффективной площадью поперечного сечения, как описано выше для прямого 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 - это просто площадь поверхности поршня за вычетом площади поперечного сечения штока поршня.

Таким образом, для прямого хода соотношение между прилагаемой 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 равнодействующую силу

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

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

${\displaystyle \pi }$равно пи , приблизительно равное 3,14159.

См. Также [ править ]

• Динамика жидкостей
• Жидкая сила
• Гидравлика
• Гидравлический цилиндр
• Пневматический мотор
• Пневматика
• Трубчатый линейный двигатель

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• специальные типы цилиндров (www.pneumatics.be)
• Контрольный список для пневматики (www.deltongroup.in)